水凝胶微机器人：复杂体内环境的“导航高手”

大家好！今天来了解一项关于成像引导的生物可吸收声学水凝胶微型机器人（BAM）的研究——《Imaging-guided bioresorbable acoustic hydrogel microrobots》发表于《SCIENCE ROBOTICS》。这项研究为生物医学工程领域带来了新的突破，有望在疾病诊断、精准治疗等方面发挥重要作用。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

微纳米机器人在生物医学领域有着巨大的应用潜力，例如疾病诊断、靶向药物递送、解毒和微创手术等。然而，其在体内的实际应用面临着诸多挑战，如在复杂生物流体中的可靠推进、深层组织实时成像、精确控制以及治疗评估等。

在众多解决方案中，声学驱动微型机器人因其安全性、无创性、深层组织穿透能力、强大的推进力、快速响应和无线控制等优势而备受关注。但现有的声学驱动微型机器人在实际应用中仍存在一些问题，如封装气泡在生物流体中的稳定性和寿命较短，以及在复杂体内环境中缺乏精确控制的推进能力。

二、BAM的设计与制备

（一）结构设计

BAM采用双光子聚合（TPP）技术制备，其结构包含聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）、季戊四醇四丙烯酸酯（PETA）、Fe3O4纳米颗粒（用于磁导向）以及治疗剂（如抗癌药物5-氟尿嘧啶）。它呈球形，外径为30μm，内部有一个直径为18μm的球形空腔，用于捕获微气泡。

（二）独特设计提升性能

1、双开口气泡捕获腔设计

与单开口设计相比，双开口设计显著提升了BAM的推进能力。单开口BAM运动不稳定且效率低，而双开口BAM运动速度更快且更稳定。实验数据表明，在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，不同开口角度（θ）的BAM速度不同，当θ = 90°时速度达到峰值。

例如，θ = 0°、60°、90°、120°和150°时的速度分别为413±69、1251±188、2043±280、754±166和500±47 μms-1。这是因为当θ = 90°时，其中一个开口产生的推进力在y方向分量为零，全部用于运动。

从粒子图像测速（PIV）分析和数值模拟结果可以看出，双开口BAM在两个开口处都能产生明显的微流模式，从而产生额外方向的推进力。

2、表面化学修饰

BAM采用独特的两步表面化学修饰策略。首先用氟硅烷处理，在内外表面形成疏水的自组装单层（SAM），以捕获气泡；然后通过O2等离子体蚀刻进行亲水处理，使外表面亲水，防止微机器人聚集并促进水凝胶降解。

这种修饰使BAM在生物流体中的气泡保留能力显著增强。未修饰的水凝胶微机器人在尿液中1分钟内就会失去气泡，而修饰后的BAM内表面疏水接触角为133.4°，外表面亲水接触角为80.1°，能在人尿中成功维持微气泡14天。在多种生物相关流体中的实验表明，表面处理后的BAM在血清中能保持气泡3天，在PBS中12天，在尿液中13天，而传统TPP树脂IP-Dip制备的微机器人1小时内就失去气泡，未处理的水凝胶BAM在1分钟内失去气泡。

三、BAM的材料特性

（一）生物降解性

BAM的主要成分PEGDA在水溶液中通过酯键水解发生降解。在50mM NaOH中（因其对人体健康影响最小），BAM在3天内先膨胀后塌陷。

（二）生物相容性

Fe3O4纳米颗粒和载药BAM具有良好的生物相容性。将小鼠巨噬细胞（RAW264.7）和人膀胱癌细胞（T24）分别与Fe3O4纳米颗粒和被动BAM共孵育72小时后，细胞代谢活性几乎不受影响，且死细胞数量极少。

（三）药物负载与释放

在TPP制备过程中，5-氟尿嘧啶能有效载入BAM，其药物负载效率为62.0%（基于5-氟尿嘧啶在PEGDA树脂中的最大溶解度计算）。在尿液中，约60%的药物在最初12小时内因扩散和聚合物降解而释放，相比之下，较大的模型药物分子罗丹明B释放速度较慢，在人尿中约19小时才达到60%的释放率。在三维肿瘤球模型实验中，声学驱动的载药BAM与肿瘤球的相互作用增强，导致更多细胞死亡，证明了BAM在药物递送方面的有效性。

四、BAM的超声成像与控制

（一）超声成像原理

BAM内部捕获的微气泡可增加超声成像对比度，这是由于空气和水之间的声阻抗失配以及微气泡在超声作用下的体积振荡。

（二）体外成像与控制

在体外，使用50MHz线性阵列超声探头在B模式成像配置下，在模拟膀胱环境的琼脂糖腔室中对BAM进行实时成像。当聚焦超声（FUS）探头以480kHz的激发频率和626kPa的声压驱动时，BAM能够高效运动，并且其推进方向可通过外部磁场精确无线控制。

（三）体内成像与控制

在体内小鼠膀胱实验中，通过将超声成像探头的中轴线与推进换能器的焦点对齐，实现了对BAM的成像和推进。BAM经膀胱内灌注后，在超声激活下呈涡旋状运动，在磁场控制下可向特定膀胱区域移动。

在原位膀胱癌小鼠模型中，超声成像有助于将BAM精确递送至肿瘤部位，BAM附着在肿瘤组织或膀胱壁后，仍能对超声刺激产生响应。

五、BAM的抗癌治疗效果评估

（一）实验模型与治疗方案

在小鼠原位膀胱癌模型中，通过向小鼠膀胱壁接种表达荧光素酶的鼠膀胱癌细胞（MB49）建立肿瘤模型。将肿瘤小鼠随机分为四组，分别接受PBS、游离药物、被动BAM和声学驱动且磁引导的BAM治疗，每隔3天进行一次膀胱内灌注，共进行四次治疗。

（二）治疗效果评估

在治疗过程中，通过生物发光信号监测肿瘤进展。治疗14天后，声学驱动BAM组的生物发光强度降低了约93%，表明肿瘤体积大幅减小；而游离5-氟尿嘧啶或被动BAM组的生物发光强度降低程度相对较小。

治疗结束后，对小鼠膀胱进行解剖和组织学检查，发现BAM治疗组的膀胱尺寸最小，肿瘤体积最小，进一步证明了BAM的肿瘤抑制效果。

（三）生物安全性评估

在治疗过程中，所有小鼠体重无明显变化，对主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的组织学检查表明，与PBS对照组相比，BAM治疗组无不良影响。此外，通过皮下植入BAM实验，发现BAM在4周后尺寸逐渐减小，6周后完全降解，证明了BAM在体内的生物可降解性和生物安全性。

六、研究结论与展望

本研究开发的BAM在多个方面取得了显著进展。它能够在复杂生物流体中稳定推进数天，实时超声成像对比度强，在疾病诊断、靶向药物递送和微创手术等领域具有巨大的应用潜力。其独特的设计，如双光子聚合制造、双开口结构、表面化学修饰以及水凝胶材料的应用，使其在性能上优于以往的微纳米机器人。未来，BAM技术的进一步发展将取决于能否大规模生产以及能否灵活设计以满足不同身体部位的治疗需求。我们期待BAM技术能够在医疗保健领域产生重大影响，为患者带来更好的治疗效果。

七、一起来做做题吧

1、微纳米机器人在生物医学应用中面临的挑战不包括以下哪一项？（）

A. 在复杂生物流体中实现可靠推进

B. 对人体组织进行实时成像和精确定位

C. 大规模生产及降低成本

D. 确保在体内的高治疗效果和生物相容性

2、关于 BAM 的双开口设计，以下说法正确的是（）。

A. 双开口设计会使 BAM 的推进速度变慢

B. 开口角度为 0° 时 BAM 的推进速度最快

C. 双开口设计可产生额外方向的推进力，提高运动稳定性

D. 双开口 BAM 的运动不受二次 Bjerknes 力影响

3、BAM 的生物降解主要是由于（）。