生物粘液的生理特性是監(jiān)測人類健康狀況和幫助了解疾病發(fā)展的重要生理指標，因為粘液特性（例如，粘度）與炎癥和其他疾病高度相關(guān)。然而，使用純醫(yī)學成像來感知粘液粘度目前仍然具有挑戰(zhàn)性。使用柔性內(nèi)窺鏡和膠囊內(nèi)窺鏡機器人在體外收集和分析粘液樣本方面非常具有挑戰(zhàn)性，因為它們難以進入非常狹窄、曲折和狹小的空間，并且樣本可能無法反映在人體內(nèi)的真實粘液特性。

針對以上問題，美國范德比爾特大學（Vanderbilt University）董曉光教授領(lǐng)導的研究小組提出了一種新方法（圖1），可以通過由磁場驅(qū)動并由醫(yī)學成像跟蹤的無線微型傳感器來原位傳感粘液粘度。這些微型粘度傳感器可以通過控制磁場驅(qū)動毫米級軟體攀爬機器人遞送到指定區(qū)域。由于微型軟體機器人可以進入有限且狹窄的空間，并將傳感器可靠地部署在軟組織表面上，因此可以在軟生物組織上遞送多個傳感器來分布式傳感生物流體粘度。因此，所提出的微創(chuàng)機器人遞送和粘度傳感方法為傳感體內(nèi)深處的生物流體特性以用于未來的疾病監(jiān)測和早期診斷功能鋪平了道路。相關(guān)研究成果以“Sensing Mucus Physiological Property In Situ by Wireless Millimeter-Scale Soft Robots”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上[1]。

圖1 （A）磁場驅(qū)動的微型生物粘液粘度傳感器系統(tǒng)概述；（B）軟體機器人及無線粘度傳感器；（C）粘度傳感器的遞送過程；（D）多個粘度傳感器的工作示意圖；（E）粘度傳感器在消化道組織粘液上的圖片。

靈活的毫米級軟體攀爬機器人

為了遞送微型傳感器，該團隊開發(fā)了柔性的桿狀軟體機器人（圖2），它可以在粘液覆蓋的組織上運動，進而使用所攜帶的懸臂遞送梁遞送粘度傳感器。在三維外部磁場的驅(qū)動下，機器人可以在任意方向彎曲，機器人的攀爬運動則基于該團隊之前報道的剝離和裝載機制[2]。機器人的雙腳依靠生物粘附作用而粘附在組織表面。微型傳感器可以粘附在組織表面，然后通過一種可控的機械配合方式來脫離軟體機器人，這種新穎的遞送機制允許通過以微創(chuàng)方式控制毫米級軟體攀爬機器人來遞送無線微型傳感器。

圖2 控制機器人的攀爬運動以及遞送粘度傳感器：（A）軟體攀爬機器人在軟組織上的全向可操縱性；（B）剝離和加載機制示意圖；（C）機器人在豬結(jié)腸組織上的攀爬運動；（D）基于軟體機器人的傳感器遞送過程。

無線磁場驅(qū)動液體粘度傳感器的機理

這種新型無線微型傳感器可以感測消化道組織器官深處的粘液特性。圖3顯示了粘度傳感器的理論推導、校準方法和傳感過程。傳感器錨定在粘液層上后，磁性旋轉(zhuǎn)器部分將接觸粘液層。磁性旋轉(zhuǎn)器由磁環(huán)和磁盤組成，借助毛細管力被粘液潤濕。液體的粘滯系數(shù)可以進而通過觀測磁盤和外加磁場之間的偏轉(zhuǎn)角來獲得。在人體內(nèi)，可以通過X射線成像進行離體可視化，進而在豬結(jié)腸組織的粘液中（圖4）測試傳感器。粘液粘度傳感結(jié)果已得到其他先進測量工具的進一步驗證。

圖3 磁場驅(qū)動粘度傳感器的粘度傳感特性：（A）將粘度傳感器固定在豬結(jié)腸組織粘液層上的實驗圖像；（B）施加在傳感器磁性旋轉(zhuǎn)器上的剛體扭矩和力的圖示；（C）傳感器在不同頻率的旋轉(zhuǎn)外部磁場驅(qū)動的蜂蜜水混合物中旋轉(zhuǎn)的圖像；（D）粘度傳感過程的磁矩和外部磁場的方向；（E）用于粘度傳感過程的磁場和磁矩之間的角度差的正弦；（F）不同剪切速率下垂直于傳感器探頭磁矩的外部磁場分量的校準曲線；（G）不同粘度的蜂蜜水混合物的校準曲線的斜率；（H）在不同粘度的蜂蜜-水混合物中預測粘度作為測量粘度的函數(shù)。



圖4 離體豬組織粘液粘度檢測和X射線引導下的機器人運動：（A）傳感器信號輸出作為不同水-粘蛋白比率的粘液剪切速率的函數(shù)；（B）使用磁性粘度傳感器預測的粘液粘度和使用商用粘度計測量的粘度作為剪切速率的函數(shù)；（C）預測的隨時間變化的粘液粘度作為時間的函數(shù)；（D）部署在豬結(jié)腸組織頂部和垂直表面上的兩個傳感器的粘度傳感過程的圖像；預測的粘液粘度作為傳感器 1（E）和傳感器2（F）剪切速率的函數(shù)；（G）機器人攀爬豬結(jié)腸組織和傳感器部署過程的連續(xù)X射線醫(yī)學圖像。（i）攀爬運動；（ii）傳感器負載；（iii、iv）傳感器分離；（H）使用所部署的粘度傳感器進行粘度傳感過程的連續(xù)X射線醫(yī)學圖像。

與其他粘度傳感器相比，以上無線微型粘度傳感器可以以微創(chuàng)的方式部署在生物組織的目標位置，并具有相對較長的停留時間，這有希望用于人體內(nèi)的應用。相比之下，大多數(shù)基于壓電振動器的粘度傳感器不能無線驅(qū)動，無法用于體內(nèi)長期監(jiān)測。其他基于光學或毛細管效應的粘度傳感器分別依賴于復雜的光控制單元和微流控通道，這些僅在體外應用中得到證明，限制了它們在體內(nèi)環(huán)境中的應用。除此之外，磁性納米線已被證明可以通過結(jié)合體外光學成像來感知粘液粘度，但它缺乏在體內(nèi)應用中長期保留在生物組織上的能力。

該團隊未來還將在豬器官中對機器人和粘度傳感器進行體內(nèi)測試，以進一步驗證遞送和傳感機制的有效性。這些軟體攀爬機器人的攀爬能力允許將粘度傳感器遞送到胃腸道中難以到達的位置，從而能夠?qū)鞲衅骶_地定向遞送到不同的胃腸道位置，從而通過遞送多個傳感器來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡。傳感器的磁場驅(qū)動和基于醫(yī)學成像的運動跟蹤允許在身體深處進行傳感。此外，雖然作者在這項工作中演示了粘度傳感器的遞送，但所提出的傳感器遞送機制也可用于遞送其他無線傳感器來感測溫度、pH值和其他生理特性。該工作可以啟發(fā)其他由磁場驅(qū)動的軟微型機器人和其他不受束縛的軟體機器人，以便在有限的環(huán)境中有針對性地交付多功能傳感器以構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡。因此，所提出的方法為長期、連續(xù)監(jiān)測和微創(chuàng)跟蹤生理特性鋪平了道路，以幫助了解疾病發(fā)展并提供早期診斷。

審核編輯：劉清