每年全球约有1200万人遭受中风侵袭，其中许多人未能幸存，幸存者则面临从言语障碍到瘫痪等持久性残疾。现有治疗手段远非完美：医生常使用溶解脑血管血栓的药物，但这些药物会流经全身而非仅作用于阻塞血管。为确保足量药物抵达血栓，医生不得不采用高剂量给药，这可能导致内出血等危险副作用。药物本应仅需作用于微小区域，却充斥全身各器官。
为何中风需要更智能的工具
多年来，研究人员始终追寻一个简单构想：向体内输送微型机器，将药物直接送达病灶。对中风而言，这意味着将载药装置精准引导至脑部血栓处，而非全身给药。这种靶向递送不仅能革新中风治疗，还可用于深部感染或肿瘤治疗，同时保护健康组织。但微机器人必须能在曲折狭窄、高速流动的血管内运行，并准时释放药物。
凝胶外壳微机器人
苏黎世联邦理工学院的微机器人研究团队开发出一种系统，核心是一个由可溶性凝胶制成的微型球形胶囊。该胶囊填充氧化铁纳米颗粒，以便磁力操控其在血管内的移动。研究首席作者、苏黎世联邦理工学院多尺度机器人实验室博士后研究员法比安·兰德斯（Fabian Landers）表示："由于人脑血管极为细小，胶囊尺寸受限。技术难点在于确保微型胶囊仍具备足够磁性。"
体内追踪胶囊技术
为实现体内追踪，医生需通过X光观察胶囊。团队采用医学常用材料钽纳米颗粒作为造影剂，其密度和操控难度远高于氧化铁。从事微机器人研究数十年的机器人与智能系统教授布拉德利·尼尔森（Bradley Nelson）指出："在单一微机器人中整合磁功能、影像可视性与精准控制，需材料科学与机器人工程的完美协同，我们历经多年才成功实现。"
中风药物递送机制
胶囊并非空载，研究人员已将其装载医院常用药物，包括中风溶栓药、抗生素及抗癌药物。凝胶外壳作为容器，确保药物抵达靶点前保持稳定。通过高频磁场触发释药：磁场加热胶囊内磁性纳米颗粒，熔化凝胶外壳。外壳溶解后微机器人解体，药物精准扩散至目标组织。
体内操控微机器人
胶囊通过导管进入人体——导管是中风治疗的常用细管。团队设计了特殊导管，其内导丝连接柔性聚合物抓手。微机器人置于导管内的抓手中，医生推出内导丝时抓手张开，将胶囊释放至血液或脑脊液中。操控难点在于人体动脉血流速度差异极大。尼尔森解释："血流速度因地而异，使微机器人导航极为复杂。"为此团队开发了模块化电磁导航系统，可实时调整患者头部周围的磁场形态。
逆血流推进技术
该系统融合三种磁控策略：旋转磁场使胶囊沿血管壁滚动，实现每秒约4毫米的精细方向控制；磁梯度将胶囊拉向磁场更强区域，即使逆向血流高速冲击仍可前进；微机器人能以每秒20厘米以上的速度逆流移动。兰德斯感叹："血管中高速流动的血量令人惊叹，我们的导航系统必须承受这一切。"
微创手术新路径
颅内血管常分叉形成急转弯。在分叉处，团队依赖顺流导航技术：将磁梯度对准血管壁，使血流自然将胶囊带入目标分支。通过综合三种策略，研究人员在多种血流和血管条件下保持对微机器人的控制。超过95%的测试中，胶囊成功抵达目标并释放药物。尼尔森强调："磁场和梯度极适合微创手术，因其能深入人体且——至少在我们使用的强度和频率下——不会对身体产生不良影响。"
导航系统优化
动物实验前，团队创建了精确匹配患者及动物血管结构的硅胶模型，包含所有弯曲分叉。这些透明模型由苏黎世联邦理工学院衍生企业Swiss Vascular销售，用于医学培训和研究。机器人与智能系统研究所化学家萨尔瓦多·帕内（Salvador Pané）教授解释："这些模型至关重要，我们反复演练以优化策略，这是动物实验无法实现的。"在血管模型中，研究人员成功引导载药胶囊进入人工阻塞部位，观察到血栓溶解，证实导航系统与释药机制在真实血流条件下协同工作。
动物实验验证
模型验证后，团队转向大型动物实验。在猪身上，三种导航模式在真实动脉中有效运行，且微机器人全程保持医学成像系统的可视性。随后在绵羊脑脊液中成功操控胶囊——该环境比血管更复杂，因液体流动特性与解剖结构更为精密。兰德斯表示："这个复杂解剖环境蕴含巨大治疗潜力，我们欣喜于微机器人也能在此环境中精准定位。"
中风治疗新方向
微机器人的首要目标是中风治疗，更快更精准的血栓清除可保护脑组织并减少残疾。该技术还可适配用于深部感染的抗生素递送或手术难以触及的肿瘤靶向治疗。团队从导管设计到电磁硬件均以医院应用为导向，下一步将启动人体临床试验。兰德斯强调："医生们已在医院做出非凡贡献。驱动我们的是这样的信念：这项技术能更快更有效地帮助患者，通过创新疗法给予他们新希望。"全文发表于《科学》期刊。
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