用于微创介入治疗的智能软体光磁机器人：集成触觉感知与光热消融的多功能毫米级系统

《Advanced Science》：Intelligent Soft Opto-Magnetic Robot for Minimally Invasive Interventional Therapy

本文报道了一种集成了仿生触觉感知、实时监测与光热治疗功能的毫米级智能软体光磁（iSOM）机器人。该机器人通过磁场驱动实现在狭小解剖空间内的精准导航，并利用基于上转换纳米颗粒（UCNPs）与金纳米颗粒（GNPs）的等离子体-上转换耦合机制，在近红外（NIR）激光激发下同步实现压力/温度解耦传感与靶向光热消融治疗（TAT）。研究通过离体/在体实验验证了其在心血管模型靶向消融、猪肝门静脉系统介入及活体胃部干预中的临床应用潜力，为高精度微创介入治疗（MII）提供了创新解决方案。

　　

引言

微创介入治疗（MII）通过自然腔道或小切口实施诊断与治疗，显著降低患者创伤并加速康复，但其效果受限于狭小空间内触觉反馈缺失、操作依赖人工灵活性及辐射成像风险。集成触觉传感、实时监测与治疗功能的远程控制软体机器人有望突破这些局限，然而在单一毫米级设备中实现多功能集成仍是挑战。

iSOM机器人的设计与功能集成

iSOM机器人的主体为柔性聚氯乙烯（PVC）鞘管，内嵌多模光纤（MMFs）束用于光传输与信号收集。其远端涂覆钕铁硼（NdFeB）微颗粒/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合磁性材料，通过轴向磁化实现磁场驱动下的全方位转向。机器人表面共价接枝聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶层作为自润滑涂层，降低摩擦并提升生物相容性。机器人顶端设计为半球形光学结构，由掺入上转换纳米颗粒（UCNPs）与金纳米颗粒（GNPs）的PDMS弹性体构成，表面覆盖二氧化钛（TiO₂）/PDMS高反射膜以防止光泄漏。该结构通过等离子体-上转换耦合机制，在980 nm激光激发下同步实现压力与温度的解耦传感，并利用局域表面等离子体共振（LSPR）效应高效转化光能为热能，用于靶向光热消融。

高灵敏触觉感知机制

压力传感基于GNPs的LSPR效应：当532 nm探测光经光纤传输至GNPs/PDMS复合尖端时，其反射光强度随压力引起的径向压缩而增强，灵敏度达4.5 mN，响应/恢复时间分别为5 ms和3 ms。温度传感则利用核壳结构NaYF₄:Yb,Er UCNPs在升温时²H_11/2→⁴I_15/2（525 nm）与⁴S_3/2→⁴I_15/2（545 nm）发射强度的热耦合关系，通过比值I₅₂₅/I₅₄₅实现温度测量，检测限为0.4°C。通过选择545 nm（位于GNPs等离子共振峰）与655 nm（非共振参考）发射光强度比值，可在单一近红外激发下同步解耦监测压力与温度变化。实验表明，该传感器能够通过叩击触诊区分猪肌腱、肌肉与脂肪组织的硬度差异，并可检测仿体组织中隐藏的硬度与温度异常。

光热消融与实时监控性能

在0.9 W激光功率下，机器人尖端可在6秒内升温至70°C以上，且温度与激光功率呈线性关系。反射涂层通过延长光-纳米颗粒相互作用路径显著提升光热转换效率。集成传感器可实时追踪消融过程中的温度动态，与红外热像仪数据高度一致。在猪组织经皮穿刺实验中，超声影像显示靶区出现高回声变化，组织学分析证实消融区出现凝固性坏死，而实时压力信号确保组织接触稳定性。

低摩擦磁导航与介入验证

机器人磁性段在非均匀磁场（由N42圆柱磁体产生）下受磁力矩与磁力驱动，有限元模拟与实验数据均证实其转向角度与磁场强度正相关，转向精度达1.5°。水凝胶涂层使机器人在曲折管道（内径2 mm）中的牵引力降低至未涂层机器人的1/4。在心血管仿体中，机器人成功完成47°–90°转弯及后退运动，并通过血管路径抵达左心室靶点，热致变色墨水显示消融区域温度超过55°C。在猪肝门静脉系统介入实验中，X射线引导下机器人经门静脉分支导航至肝左叶远端，实时信号显示导航中的压力瞬变与消融时温度升至120°C。组织学对比显示消融区肝细胞核固缩、胞质碎片化，而正常区域结构完整。活体兔胃介入实验进一步验证了其在生理环境下的导航、传感与治疗能力。

结论与展望

iSOM机器人通过融合仿生触觉感知、光热治疗与磁驱动导航，为微创介入治疗提供了高精度、实时反馈的解决方案。其毫米级柔性结构、低摩擦特性与生物相容性设计适配复杂解剖环境。未来结合磁共振成像（MRI）引导或多模态光纤成像技术（如OCT、PAI），可进一步拓展其在临床精准医疗中的应用前景。