铁磁水凝胶微型机器人milli-robot：可携带药物精准送入人体，48h内完全降解

发布时间：2022-10-20 09:37:31 【来源：机器人大讲堂】

　　猪皮做的微型机器人长出了毛毛虫的脚，在人体内运送药物，48h内可完全降解。

　　这是香港城市大学的最新研究成果——一个具有多腿结构的铁磁水凝胶微型机器人milli-robot。

　　三年前的《自然通讯》中，milli-robot就曾进入大家的视线，它的身长不足2厘米，扁平的身体下布满了细小的尖头状的脚，外形酷似毛毛虫，不仅运动灵活，还具有极强的地形适应能力，可以在器官内壁或在完全被液体淹没的情况下自如行动。

　　同时，它能够承载比自身重100倍的载荷，这种强度可与蚂蚁相媲美，具有相当于一个人举起26座小巴士的力量！

　　最近，milli-robot再度进化，研究团队为其更换了新的“身体”，可以在进入人体后的48小时内完全生物降解，为药物输送和其他生物医学应用开辟新的可能性。

　　▍水凝胶&磁颗粒，可随意更改腿部结构

　　一些软体微型机器人已经被开发用于各种生物医学应用，它们独特的结构使其能够在胃肠道凹凸不平的组织中移动；有朝一日，它们甚至可以涂上药物溶液，并将药物准确地输送到身体需要的地方。

　　然而，大多数微型机器人是由不可降解的材料制成的，例如硅胶，这意味着如果在临床应用中使用它们必须通过手术切除。此外，这些材料不是那么灵活，并且不允许对机器人的特性进行太多微调，从而限制了它们的适应性。

　　为了解决以上问题，研究人员选择猪皮的生物相容性明胶和铁（II，III）氧化微粒，形成磁性水凝胶来制作机器人，不仅可以实现生物降解，这种水凝胶可以很容易地拉伸到原始长度的200%，其中充足且自对准的磁性微粒还能在磁场输入下快速响应。

　　将磁性水凝胶放在永磁体上方可以让溶液中的微粒将凝胶向外推，沿着磁场线形成昆虫状的“脚”，磁铁放置的不同位置可以改变腿的形状，比如放远一点，机器人的脚会更少更长。

　　通过氧化铁微粒在凝胶内形成磁链，这些小脚可以沿磁场方向进行磁化，并能在施加外加磁场时产生磁力矩从而控制其弯曲，产生爪状抓握动作。

　　最后一步是将材料浸泡在硫酸铵中以引起水凝胶中的交联，使其更加坚固。改变各种因素，例如硫酸铵溶液的成分、凝胶的厚度或磁场的强度，研究人员可以调整机器人的特性。

　　▍多种形式携带药物，48小时内完全降解

　　为了试验机器人未来在人体中的应用，科研人员制作了一个胃部模型，让机器人携带药物进入胃部。它可以以多种形式携带药物，比如用柔软的脚“抓”住一个胶囊，工作步骤大概分几步：夹持、滚动、打开、翻转和释放。

　　机器人在夹持运动中保持完全包裹的状态，可由磁铁绕z轴逆时针旋转驱动；当磁铁向前旋转时，机器人开始滚动起来；接下来，磁铁沿着y轴向下移动，并逐渐张开身体，恢复到初始状态，通过操作磁铁绕x轴顺时针旋转，机器人就会被翻转，为卸货做准备。此时地面上的机器人由其双腿支撑，可以通过类似夹持的动作执行货物释放。

　　除了固体药物外，机器人还可以通过三维（3D）交联聚合物网络携带药物，简单来说，就是把“脚尖”浸入药物中，然后在进入人体后，可将药物溶于体内。

　　在胃模型中，通过夹持运动，腿在滚动过程中不会接触胃壁，药物也不会被释放。达靶区后，腿部通过翻转运动与水接触，药物通过自由扩散释放到水中；2h后，机器人开始明显降解，在12 h内几乎分离成小块；48 小时后，已经看不到机器人的结构，只剩余少量的磁性微粒。

　　这篇文章发表在《ACS Applied Polymer Materials》(ACS应用高分子材料) 期刊上，文章标题为“Soft Tunable Gelatin Robot with Insect-like Claw for Grasping,Transportation, and Delivery”。