胃腸道炎癥、潰瘍、出血、感染乃至腫瘤等疾病臨床高發(fā)，給患者和社會(huì)帶來沉重的疾病負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)胃腸鏡雖具備良好的可視化與操作能力，但由于需要經(jīng)自然腔道插入，嚴(yán)重影響了患者體驗(yàn)與依從性；膠囊內(nèi)鏡雖顯著降低了檢查門檻，卻長(zhǎng)期局限在“以成像為主”的階段——發(fā)現(xiàn)病灶后，往往仍需進(jìn)一步內(nèi)鏡介入處置才能完成治療。
為橋接“診斷—治療”之間的斷裂鏈條，臨床與工程亟需一種更貼近真實(shí)流程的系統(tǒng)：它能在腔道內(nèi)被精準(zhǔn)操控，又能提供實(shí)時(shí)成像反饋，還能在病灶處完成安全、可控的局部給藥或干預(yù)。
廣東工業(yè)大學(xué)隋建波/中山大學(xué)蔣樂倫團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)出一款新型磁控膠囊機(jī)器人MARCE，實(shí)現(xiàn)了將“磁控導(dǎo)航—在位可視化—靶向遞送”整合于一體，使一次吞咽更接近“一次完成檢查與治療”的流程閉環(huán)。相關(guān)成果以“A Magnetically Actuated Robotic Capsule Endoscope for In-Situ Visualization and Microneedle-Mediated Targeted Drug Delivery in Gastrointestinal Tract”為題，發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。中山大學(xué)陳偉源博士生為論文的第一作者，廣東工業(yè)大學(xué)隋建波副教授與中山大學(xué)蔣樂倫教授為論文的共同通訊作者。
檢查—治療一體化的“臨床閉環(huán)”
MARCE 的系統(tǒng)思路可以概括為三段式鏈路：外部電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（EMA）作為驅(qū)動(dòng)單元，為膠囊提供可控的運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)調(diào)整能力，使其能夠在腸道環(huán)境中主動(dòng)接近并對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域；膠囊前端的微型攝像頭提供連續(xù)的在位成像反饋，用于定位確認(rèn)與病灶觀察；到達(dá)目標(biāo)后，膠囊觸發(fā)局部遞送模塊完成靶向給藥，從而形成“可視化引導(dǎo)下的精準(zhǔn)遞送”流程。總體而言，磁控運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制解決“到達(dá)與對(duì)準(zhǔn)”，在位成像提供閉環(huán)反饋，可控保護(hù)結(jié)構(gòu)解決“遞送時(shí)序”，并通過雙層貼片結(jié)構(gòu)兼顧相鄰多病灶的連續(xù)遞送需求。
圖1呈現(xiàn)了 MARCE 的整體工作方式：在外部電磁系統(tǒng)提供操控能力下，膠囊機(jī)器人端提供實(shí)時(shí)圖像反饋與藥物遞送，形成“到達(dá)—確認(rèn)—遞送”的閉環(huán)流程。它明確了驅(qū)動(dòng)單元、感知單元與末端遞送單元之間的關(guān)系，也突顯了系統(tǒng)的“可控性、可視化與遞送可靠性”。
圖1. MARCE 的設(shè)計(jì)概念。
結(jié)構(gòu)組成與功能模塊
膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu)圍繞三件事展開：在位可視化、可控遞送，以及在復(fù)雜消化液環(huán)境下的可靠工作。圖2中給出了膠囊外觀、剖面結(jié)構(gòu)與主要部件裝配關(guān)系：前端集成可回縮的微型攝像頭，用于在遞送動(dòng)作發(fā)生前后保持有效視野；同時(shí)集成兩片載藥微針貼片，用于相鄰病灶的連續(xù)遞送。另一個(gè)關(guān)鍵部件是可控保護(hù)蓋，它在膠囊通過消化液環(huán)境時(shí)對(duì)微針貼片進(jìn)行隔離保護(hù)，減少提前溶解或污染風(fēng)險(xiǎn)；到達(dá)目標(biāo)后再釋放，保證微針貼片在“正確的時(shí)間窗口”進(jìn)入工作狀態(tài)。文中的可溶性載藥微針貼片，由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch? S230，精度：2μm）打印的模具并翻模制成。
圖2. MARCE的組裝與表征。
外部電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)調(diào)整
外部電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由多組線圈構(gòu)成，通過不同線圈組合生成用于“推進(jìn)”和“轉(zhuǎn)向/俯仰”的磁場(chǎng)效應(yīng)，從而在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)膠囊的三維運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制。圖3中同時(shí)給出了從操作者輸入、到系統(tǒng)計(jì)算、再到線圈輸出的控制流程，并用仿真與實(shí)測(cè)對(duì)照、以及腸道仿真環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)展示來說明系統(tǒng)的可控性與一致性。
圖3. EMA系統(tǒng)與磁控運(yùn)動(dòng)展示。
治療模塊：保護(hù)結(jié)構(gòu)、觸發(fā)機(jī)制與遞送鏈條
治療模塊的核心在于“可控與可靠”。圖4中介紹了保護(hù)蓋釋放前后的狀態(tài)變化，通過響應(yīng)過程與熱安全評(píng)估的測(cè)試思路驗(yàn)證觸發(fā)機(jī)制的可控性與安全性，并進(jìn)一步展示了貼片如何在組織表面逐步溶解并釋放藥物。
圖4. MARCE 的藥物輸送性能。
端到端流程驗(yàn)證：從導(dǎo)航到遞送的一體化演示
圖5展示了膠囊機(jī)器人精準(zhǔn)藥物遞送的實(shí)驗(yàn)過程。在腸道模型中，膠囊在磁控導(dǎo)航下接近目標(biāo)病灶，調(diào)整姿態(tài)后釋放保護(hù)結(jié)構(gòu)，隨后將兩片載藥微針貼片分別遞送至兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。圖中也展示了離體豬腸段的驗(yàn)證過程：操作者依據(jù)膠囊內(nèi)相機(jī)的實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行操控，在更接近真實(shí)組織環(huán)境的條件下完成遞送動(dòng)作。它將“操作（磁控）—感知（成像）—末端（遞送）”串成閉環(huán)流程，為后續(xù)在體驗(yàn)證、復(fù)雜病灶模型及更高層級(jí)閉環(huán)策略研究提供了可復(fù)用的流程范式與評(píng)估思路。
圖5. 基于微針的 MARCE 靶向藥物輸送。
總結(jié)：本研究提出磁控膠囊機(jī)器人（MARCE），面向胃腸道場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)“可視化引導(dǎo)下的靶向局部遞送”。該系統(tǒng)將外部電磁操控與膠囊端實(shí)時(shí)成像結(jié)合，使膠囊能夠在腔道內(nèi)主動(dòng)導(dǎo)航并精確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域；同時(shí)通過可控保護(hù)結(jié)構(gòu)在到達(dá)目標(biāo)后釋放載藥可溶微針貼片，實(shí)現(xiàn)按需的靶向遞送。離體驗(yàn)證表明，該平臺(tái)能夠完成穩(wěn)定的貼附、穿刺、留置與釋放過程，將診斷、定位與局部治療動(dòng)作貫通為一體化流程。作為一種可擴(kuò)展的診療融合載體，MARCE 為面向出血等需要即時(shí)干預(yù)的胃腸道疾病提供了新的工程化路徑，也為未來智能化、集成化的腔內(nèi)精準(zhǔn)給藥與微創(chuàng)治療設(shè)備奠定了平臺(tái)基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01145-5
