Sci Adv︱孙钰/俞江帆/宋鹏团队合作研发基于微纳米机器人集群的定域栓塞术

撰文︱刘俊辉

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

血管栓塞术（embolization）是一种用于阻塞血管血流，用于治疗各种疾病，如肿瘤、瘘管和动静脉畸形的临床技术[1]。在此术中，栓塞介质将经导管向靶血管注入完成血管闭塞。常见的栓塞介质，例如机械弹簧圈、聚乙烯醇颗粒、碘化油和栓塞剂，在释放后无法精准控制其栓塞范围，因此存在非靶向血管闭塞的风险，从而导致器官正常组织坏死甚至器官衰竭、中风、肾虚、失明等严重并发症[2]。因此，研发选择性栓塞术具有重要的临床意义。

2022年7月21日，多伦多大学孙钰院士团队，香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队和中国医学科学院肿瘤医院深圳医院介入治疗科宋鹏副主任合作在国际学术期刊Science Advances在线发表了题为“Microrobotic swarms for selective embolization”, 提出了一种基于微米机器人集群的选择性区域栓塞策略。博士生刘俊辉和王宪博士共为文章第一作者。

受自然群体集群智慧的启发，微米机器人可被控制形成微米机器人集群，用于靶向药物输送、增强成像和热疗。与这些经过深入研究的任务不同，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，本文作者研发的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。

(图源：Law J, et al., Sci Adv, 2022)

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。

(图源：Law J, et al., Sci Adv, 2022)

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 在流动条件下维持目标区域内集群完整性的驱动策略和实验验证。

(图源：Law J, et al., Sci Adv, 2022)

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。

(图源：Law J, et al., Sci Adv, 2022)

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 离体猪大网膜组织和体内猪肾脏局部栓塞的实验结果。图E中，黄圈表示实验中设定的栓塞区域，该目标区域内血管血流被阻断，造影剂无法通过，因此该区域内血管未在DSA成像中显影。

(图源：Law J, et al., Sci Adv, 2022)

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究提出了一种独特的微米机器人集群的驱动方式，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。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5752

通讯作者：孙钰（左），俞江帆（中），宋鹏（右）

（照片提供自：AMNL实验室、IML实验室、中国医学科学院肿瘤医院深圳医院）

通讯作者简介：（上下滑动阅读）  

孙钰：是多伦多大学机械与工业工程系、电气与计算机工程系、生物工程系、计算机科学系教授，多伦多大学机器人研究所所长，中国工程院外籍院士，加拿大工程院院士、加拿大科学院院士、美国电气与电子协会会士、美国机械工程协会会士、美国科学促进会会士、美国发明家学会会士、加拿大微纳工程系统领域主席。孙教授在大连理工大学取得学士学位（1996），美国明尼苏达大学机械工程系获得博士学位（2003）和瑞士联邦工学院从事博士后研究（2003-2004）。孙钰教授20年来一直从事微纳机器人研发与应用研究，他的工作紧密结合机器人与自动化技术、生物微电子机械系统技术、和生物医学工程技术，目前研究方向包括机器人细胞手术、心脏病个性化用药筛选、癌症治疗仪器与诊断仪器的研发。发表学术论文330篇（Science与Nature子刊6篇），获得了包括10次最佳论文奖在内的近20次国际奖项。孙钰教授现任、曾任多个国际期刊编委: 例如IEEE Trans. Robotics, IEEE Trans. Mechatronics, IEEE Trans. Automation Science and Engineering, IEEE Robotics and Automation Letters, Microsystems & Nanoengineering (a Nature sponsored journal)等。

俞江帆：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）理⼯学院的智能微型机器人实验室，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。

宋鹏：中国医学科学院肿瘤医院深圳医院介入治疗科副主任医师。宋主任在2015年毕业于南开大学获肿瘤学博士， 2021北京协和医学院博士后出站。宋主任从事肿瘤与血管疾病介入治疗17年。介入技术擅长：1、肝癌、胰腺癌、子宫肌瘤等良恶性肿瘤的介入微创治疗；2、消化道出血、咯血、外科术后出血、产后大出血等急诊大出血的介入治疗；3、肾动脉狭窄、布加综合征、下肢深静脉血栓等血管疾病的介入微创治疗等。宋主任参与的相关研究曾荣获2011年国家科学技术进步二等奖，2013年军队医疗成果二等奖，2012年华夏医学科技奖一等奖，2010年北京市科学技术二等奖等奖项。他目前国内担任的的学术职务有：亚洲冷冻治疗协会委员；中国研究型医院学会出血专业委员会青年委员；中华医学会放射学分会第十五届委员会介入医师分会急诊专业委员会委员；中国医师协会介入医师分会第三届委员会门脉高压介入学组委员；广东省抗癌协会肿瘤微创介入专业委员会第四届委员会委员；深圳市医师协会介入医师分会副会长等。

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参考文献：

[1] Hu, J., Albadawi, H., Chong, B.W., Deipolyi, A.R., Sheth, R.A., Khademhosseini, A. and Oklu, R., 2019. Advances in biomaterials and technologies for vascular embolization. Advanced Materials, 31(33), p.1901071.

[2] Irwine, C., Kay, D., Kirsch, D. and Milburn, J.M., 2013. Renal artery embolization for the treatment of renal artery pseudoaneurysm following partial nephrectomy. Ochsner Journal, 13(2), pp.259-263.

本文完