仿生血凝膠纖維機器人：腦深部腫瘤治療新突破

大腦顱內腫瘤，尤其是位于腦深部或者臨近重要功能腦區的腫瘤，一直是臨床治療中的重要挑戰。傳統手術切除的方法由于手術路徑復雜，容易造成不可逆的神經損傷。此外，放療雖能穿透顱骨，卻可能誤傷正常的腦組織，化療藥物則容易被血腦屏障“拒之門外”，難以達到療效。因此，開發一種無創、精準定位、高效治療的顱內腫瘤治療方法具有重要意義。

5月1日下午17時，中國科學院深圳先進技術研究院集成所研究員徐天添聯合深圳大學副教授王奔、香港中文大學教授張立，在《自然—生物醫學工程》上發表最新研究。合作團隊開發了一種受外界可編程磁場驅動的仿生血凝膠纖維機器人，能夠在蛛網膜下腔極端狹窄的腦脊液環境中多模態仿生運動，并結合X射線影像引導，精準無創到達腫瘤區域完成藥物靶向遞送，為顱內深部及功能區鄰近腫瘤的精準、無創治療開辟了全新路徑。

實現大腦復雜環境下多模態運動

近年來，微型機器人在醫療領域取得了顯著進展，科學家們通過外部驅動源如磁場、光場或聲場等，讓微型機器人實現體內遠程靶向藥物遞送或局部治療等任務。

然而，大腦的結構高度復雜，布滿密集且不規則的腦溝回、脆弱的神經組織，以及僅僅毫米級間隙的狹窄的蛛網膜下腔，對微型機器人的運動模式、柔性適配性和組織安全性提出了極高要求。

為此，研究團隊以自然界中的線蟲為靈感，創新性地利用實驗動物自身血液與少量磁性粒子混合，通過原位凝膠化技術，制備出了直徑為1毫米的血凝膠纖維機器人（BBHF）。

“BBHF保留了血液中天然纖維蛋白的網絡結構，具有良好的生物相容性，可有效避免免疫排斥反應。同時，BBHF以超柔性水凝膠為基體，具有顯著的彈性和柔軟性，其彈性模量大約為100千帕，比腸道更柔軟，但比軟骨更有韌性。”論文通訊作者、深圳先進院研究員徐天添介紹，這些特性使BBHF既能像“軟體線蟲”一樣，在比自身直徑還小的狹窄空間中穿行，又不會因過硬而劃傷周圍的組織，為體內極端狹窄迂曲生理環境下的無創輸送提供了一條有前途的途徑。

通過模仿線蟲的細長形態和自適應的波浪運動機制，研究人員通過外界可編程驅動磁場實現了BBHF的精確控制，使其能夠實現包括擺動、爬行和滾動在內的多種仿生運動模式。

“我們將超柔性水凝膠與內部磁性顆粒協同設計，使BBHF產生了模仿線蟲擺動的推進力，同時又可以依托腦組織的粘附力，實現蠕動爬行，還能在接觸面曲率突變時切換為滾動模式規避運動失效。”徐天添介紹。

在3D打印的人體腦溝回模型實驗中，BBHF沿著預設路徑成功穿越多級溝壑；在離體豬腦皮層實驗中，BBHF通過動態調節運動方向和運動模式成功到達預定目標，全程未對柔軟組織造成機械損傷。

磁驅遙控，靶向顱內腫瘤

作為治療顱內腫瘤最關鍵的一步，就是如何讓BBHF在到達腫瘤區域后，釋放抗腫瘤藥物。

為此，研究團隊提出了高頻交變磁場誘導血凝膠纖維機器人斷裂碎化的釋放藥物機制。在遞送過程中，封裝著阿霉素等化療藥物的BBHF，可以在強度小于20 毫特斯拉、頻率小于6 赫茲的低頻弱磁場驅動下，或在水溶液中保持結構穩定無泄漏。在抵達腫瘤區域后，研究人員通過外部施加強度為50毫特斯拉、頻率24赫茲的高強度旋轉磁場，BBHF結構便會從毫米級逐步崩解為微米級碎片，藥物隨之釋放。

“這相當于給血液凝膠機器人裝上了‘衛星導航系統’，實現靶向給藥。”徐天添介紹，研究人員可以通過調節磁場的參數，讓血凝膠纖維機器人進行動態控制藥物釋放速率。這種基于物理場響應的智能釋藥策略避免了傳統化學觸發劑的生物毒性，為腫瘤局部化療提供了高時空精度的操控手段，未來可拓展應用于腦膠質瘤的邊界浸潤治療、多病灶接力式給藥等復雜醫療場景，在提升療效的同時顯著降低全身毒副作用。

為驗證血凝膠纖維機器人在顱內腫瘤靶向治療中的可行性與療效，研究人員在18頭小型豬中構建了腦膠質瘤模型，并將實驗分為三組：空白對照組、假手術組（植入未載藥BBHF）和治療組（載阿霉素BBHF）。研究團隊發現，術后 26 天，BBHF治療組的腫瘤生長受到抑制，比對照組腫瘤小4倍，而且BBHF治療組的活豬血細胞數量和生物化學標志物水平均保持在正常水平，波動較小，進一步驗證了豬自身血液制備的纖維機器人具有良好的生物相容性。

“基于‘患者’自身血液定制的仿生血凝膠纖維機器人，能夠逃避免疫排斥反應，并且在完成任務后可在體內自動降解，無需二次取出。”徐天添補充道，這種仿生機器人創新性地將多模態仿生運動、X射線成像實時追蹤與磁響應智能釋藥機制相結合，為腦深部或功能區毗鄰型顱內腫瘤治療提供了一種無創、精準定位、高效治療的變革性解決方案。未來，團隊將進一步聚焦于血液凝膠纖維機器人的結構優化、運動控制精度提升及治療功能增強，拓展其在復雜腦環境中的適應能力，推動其向個性化無創顱內治療的臨床應用轉化。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41551-025-01382-z