我院俞江帆教授团队在 Science 子刊 Science Advances 上发表文章

近日，我院俞江帆教授团队在 Science 子刊 Science Advances 发表题为“Microrobotic swarms for selective embolization”的文章。

该工作研发了一种微米机器人集群的驱动策略，从而实现了高选择性定域栓塞，可以为各种脏器的原发癌提供潜在的治疗方案，减轻目前被动的、非选择性栓塞技术引起的并发症。

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研究背景

受自然群体集群智慧的启发，微米机器人可形成微米机器人集群，用于靶向药物输送、增强成像和热疗。这项工作旨在研发用于栓塞治疗的微米机器人集群。栓塞治疗是一种用于阻断血管血流，以治疗肿瘤、瘘管和动静脉畸形的临床技术。这项工作通过控制磁性颗粒集群的运动与聚集实现选择性区域栓塞，以减少现有栓塞技术的并发症风险。本文推出了一个分析模型，描述了流体粘度、流速、分支角、磁场强度和集群完整性之间的关系，并在此基础上开发了一种驱动策略，在流体动态条件下保持了目标区域内的集群完整性，从而实现高选择性的精准定域栓塞。本文在微流道、离体组织和体内实验（猪肾脏）中验证了所提出策略的有效性。

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研究方法

作者提出了一种基于微米机器人集群的选择性区域栓塞策略（图1A）。该策略使用小于毛细血管直径的微米磁性颗粒，并且该颗粒通过表面功能化载有凝血酶作为栓塞介质，以促进血栓的形成。为了精准的控制栓塞范围以达到局部栓塞，避免栓塞健康的血管分支，本文作者研发了独特的集群驱动方法，能够维持在指定区域内的微米机器人集群的完整性，指定区域外部则无法形成集群。因此，指定区域内部的血管将被区域性栓塞。

图1. 基于微米机器人集群的选择性区域栓塞策略和在流动环境下的集群完整性分析

在流动环境中，微米机器人集群受到流体的影响，导致集群容易在血管分支处瓦解。作者针对此情况推出了一个分析模型，描述了流体粘度、流速、分支角、磁场强度和集群完整性之间的关系（图1B），并进行了实验验证（图2）。实验结果证实可以通过调控磁场强度来控制磁性微米机器人集群在血管分支处的完整性。作者分析了磁性集群在流动和血管分支环境下的完整性（图1B），并推导出对应的数学模型并进行了实验验证（图2）。

图2. 在流动环境下微米机器人集群完整性的实验验证

为了实现精准定域栓塞，作者基于已得到的数学模型，设计有效的磁性微米机器人集群的驱动方式（图3）。此驱动方式通过控制线圈系统中电流的搭配和时间分布（图3A），从而在目标区域内（图3A的黑圈）生成强磁场维持集群的完整性，反之在指定区域外，磁场不足以维持集群稳定，集群会被流体瓦解（图3C，D）。

图3. 在流动条件下保持目标区域内集群完整性的驱动策略和实验验证

作者结合该驱动方式和凝血酶修饰的磁性微米颗粒，依次在微流道、离体猪大网膜和体内猪肾脏进行选择性区域栓塞。在微流道环境中，作者比较三种栓塞方法，其中包括（一）凝血酶溶液、不加磁场；（二）凝血酶修饰磁性颗粒、施加均匀旋转磁场驱动；（三）凝血酶修饰磁性颗粒、上述所提出的驱动磁场。实验结果显示仅有方法三可以达成目标区域内的微流道闭塞，方法（一）和（二）都导致了指定区域以外的微流道闭塞（图4E）。电镜图显示导致闭塞的凝块由微米颗粒集群、血红细胞和纤维蛋白组成（图4B）。

图4. 微流道栓塞的实验结果

作者接着在离体猪大网膜和体内猪肾脏验证了微米机器人集群进行局部栓塞的有效性（图5）。离体实验结果显示仅在目标区域内的血管被阻断，其他部分的血管网保持正常流动（图5C）。猪活体实验结果显示：使用凝血酶溶液会导致非靶向微流道闭塞（图5E第一组）。相反的，适量的凝血酶修饰的磁性颗粒在没有磁场驱动的环境下没有造成血管闭塞（图5E第二组）。该凝血酶修饰的磁性颗粒在本研究所推出的驱动方式下，可实现精准的局部定域栓塞（图5E第三和第四组）。

图5. 离体组织和体内猪肾脏栓塞的实验结果。图C的黑圈和图E的黄圈表示实验中设定的栓塞区域。被阻断的血管因没有造影剂通过在血管造影DSA检查下不显现。

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研究结论

本文研发了一种微米机器人集群的驱动策略，从而实现了高选择性定域栓塞。本文中所提出的、基于微米机器人的栓塞策略可以为各种脏器的原发癌提供潜在的治疗方案，以减轻由目前的被动的、非选择性栓塞技术引起的并发症。

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作者简介

本文共同通讯作者为我院项目负责人俞江帆教授。

俞江帆教授是香港中文大学（深圳）助理教授、香港中文大学（深圳）校长青年学者、深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）院级项目负责人。他入选了2021年国家海外高层次青年人才项目（海外），并担任中国微纳技术学会微纳米机器人分会理事。俞教授在2018年获得香港中文大学博士学位，先后在香港中文大学（2018-2019）和多伦多大学（2019-2020）作为博士后进行研究工作。

俞教授的研究主要集中在微纳米机器人和医疗机器人领域，包括其材料设计、基础理论建模、优化驱动控制、及对口生物医学应用。俞教授至今发表了超过35篇顶级期刊及会议文章，包括 Nature Communications、IJRR、T-Ro、T-Mech、和 ACS Nano 等。他的数篇期刊论文被 ESI 收录为高引用论文，并被 Science、Nature、CNN 等国际机构报导。俞教授获得了多个有影响力的奖项，包括吴文俊人工智能科技奖自然科学奖二等奖（2022）、百度全球华人 AI 青年学者（2022）、福布斯30 under 30（2021）、Nature Communications 评选的物理学50强文章（2018）、T-Mech 最佳论文奖入围（2019）、香港青年科学家入围奖（2018）等。他担任 IEEE RA-L 的副编辑、Frontiers in Robotics and AI 的客座编辑，International Conference on Ubiquitous Robots 2019、2021、2022的副编辑，以及多个顶级期刊和会议的审稿人。

俞教授的课题组为隶属于属于香港中⽂⼤学（深圳）理⼯学院的智能微纳机器人实验室，是一个多学科高度交融的平台，不仅需要研究材料科学、物理学、生物学等基础科学，更关注并致力于研究小尺度机器人学、AI 策略框架、控制理论和生物医疗等应用科学。实验室将研发具有创新材料、不同结构、优化组装模式、新型集群行为和多样功能性的微纳米机器人，推进其在药物递送、癌症治疗、疾病诊断和微纳尺度物理学领域的应用。实验室致力于研发具有世界尖端水平的微纳米机器人，并解决和人类生活、健康息息相关的真正问题。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）访问博士生刘俊辉。

刘俊辉，本科毕业于香港城市大学，现于多伦多大学孙钰教授团队攻读博士学位。2021年起，作为访问学生在香港中文大学（深圳）理工学院俞江帆教授团队进行全职研究。主要研究方向为微纳米机器人的结构设计、工作机理、驱动模式以及基于微纳米机器人的生物医疗技术。

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期刊介绍

Science Advances 是美国科学促进协会（AAAS）的多学科期刊，是 Science 子刊。在几乎所有科学领域发表有世界级影响力的研究论文和评论。Science Advances 通过扩展 Science 杂志的能力来支持 AAAS 的使命，以识别和促进科学和工程在广泛领域的重大进展。Science Advances 最新影响因子为14.972，JCR 分区 Q1。

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