基于磁性驱动软体微型机器人实现按需胃部分子传感与体内诊断

《SCIENCE ADVANCES》：Electronics-free soft robotic minitablet for on-demand gastric molecular sensing and diagnostics in vivo

　　

实时生物标志物传感与分子采样在胃部的应用能够变革胃肠道疾病的诊断与管理模式，然而将这两种能力集成于单一可摄入平台的尝试仍面临巨大挑战。现有设备常受限于尺寸约束、功能单一以及软质生物相容材料与刚性电子器件之间的力学失配。在此，研究人员展示了SeroTab，一种无电子器件的软体机器人微型片剂，能够在体内实现实时pH传感与按需胃液采样。受企鹅在粘性环境中滑翔运动的启发，SeroTab具备磁驱动、曲率自适应的机体，使其能够自主导航穿过复杂的解剖几何结构到达特定胃部区域。到达目标位置后，通过射频（rf）加热无线触发形状记忆聚合物（SMP）致动器，将胃液吸入内部储液池（高达35微升）。腔室内的pH敏感水凝胶嵌入生物相容性金属圆盘，实现了生理相关范围内（pH 2至7）基于超声（US）的pH读数，并保留了样本用于非靶向代谢组学分析。动物模型体内的研究表明，SeroTab能够检测奥美拉唑给药后引起的药理学诱导pH变化（ΔpH = 4，从2升至6）和代谢偏移（检测到42种代谢物）。通过结合软体机器人技术、响应性材料和无线驱动，SeroTab为微创、适合门诊的诊断铺平了道路，有助于推进早期筛查并简化临床决策。

该研究针对胃肠道疾病诊断中存在的医疗资源紧张、传统内镜及影像学工具在基层医疗敏感性不足、现有电子胶囊难以实现主动靶向采样及存在机电集成难题等背景，开发了名为SeroTab的无电子器件软体机器人微型片剂。此项研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》。研究人员通过多层堆叠结构设计，集成了磁性聚合物复合材料（MPC）驱动的仿生运动模块、射频（rf）触发的形状记忆聚合物（SMP）采样泵以及基于锌（Zn）标记的水凝胶pH传感器，并在兔模型体内验证了其诊断效能。主要关键技术方法包括：基于COMSOL Multiphysics模拟的磁驱动运动控制、射频感应加热触发SMP形变进行液体采样、利用超声成像监测嵌入水凝胶内的金属标记位移实现pH定量检测，以及基于高分辨率质谱的非靶向代谢组学分析，实验对象涉及新西兰大白兔及离体猪器官。

在“SeroTab设计、功能、工作原理及预期医学应用”部分，研究人员阐述了该装置通过外部磁场引导实现胃部靶向导航，并利用rf加热器远程激活SMP进行采样，pH敏感水凝胶在吸收液体后发生溶胀，通过超声波可视化其机械响应以实现现场诊断，随后通过质谱分析提取的生物标志物。在“磁驱动运动的演示与表征”部分，通过力传感平台和COMSOL模拟量化了磁驱动力与扭矩，验证了受企鹅启发的滑动运动模式能够有效克服解剖障碍，并在离体猪组织和活体兔模型中成功实现了可控导航与定位。在“射频加热触发液体采样致动器的设计与表征”部分，研究人员证实了铝制加热元件可在安全距离内有效传递热量至SMP，使其恢复形状并产生负压差，从而被动吸入粘度高达100 mPa·s的液体，且内置的特斯拉阀确保了单向流动防止泄漏。在“声学pH传感器的表征与校准”部分，研究人员开发了基于p(DMAEMA-co-DPAEMA)的水凝胶传感器，通过嵌入Zn圆盘增强声阻抗失配，建立了其在pH 2至7范围内的溶胀率校准曲线，并利用超声双模态成像在兔胃内成功追踪了传感器的尺寸变化。在“体内研究”部分，通过对兔子施用奥美拉唑建立模型，研究人员利用SeroTab检测到了显著的pH升高（ΔpH = 4）及相应的代谢组学改变，组织切片分析证实了装置的生物相容性与热安全性。

讨论部分指出，SeroTab通过整合软体机器人技术与响应性材料，解决了刚性电子器件与软组织间的力学失配问题，其平面堆叠架构相较于传统圆柱形胶囊更具空间效率。该装置实现了快速现场pH筛查与精确分子分析的互补诊断流程，为个性化医疗提供了新范式。尽管目前的原型系统需要协调多种外部设备操作，但未来通过集成机器人定位系统与人工智能辅助识别，有望实现自动化临床工作流。此外，针对高粘度生物流体采样及长期生物安全性，研究人员提出了采用替代材料（如钨、钼或SmFeN颗粒）及优化水凝胶响应范围等改进方向，以推动该平台向临床转化迈进。