克日，，，，，，，我院俞江帆教授团队在Science Advances揭晓以“A ciliated intravascular soft millirobot for multimodal in-flow collective manipulation”为题的文章。。。。。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg3333

01期刊先容

《Science Advances》是由美国科学增进会（AAAS）出书的开放获取、多学科综合性学术期刊，，，，，，，主要揭晓自然科学、工程手艺、社会科学及交织学科领域具有主要影响力的原创研究与综述。。。。。该期刊最新影响因子为13.9，，，，，，，JCR分区Q1。。。。。

02研究配景

血管内的血液通常以层流方法流动，，，，，，，流体及其携带的药物、颗粒和细胞主要沿血管轴向前进，，，，，，，差别流层之间的横向交流相对有限。。。。。特殊是在血管壁周围，，，，，，，较低的局部流速和流体界线层会进一步抑制物质向近壁区域的输运。。。。。关于需要在血管壁周围施展作用的药物递送、附壁血栓消融和有数细胞捕获而言，，，，，，，这种流动特征组成了一道自然屏障。。。。。

以药物递送为例，，，，，，，药物往往难以从主流区跨越流线并抵达血管壁及周围组织；；；；；在溶栓历程中，，，，，，，溶栓药物向血栓外貌的转达以及血栓残留物的扫除同样受到限制。。。。。关于循环肿瘤细胞等有数细胞的富集，，，，，，，流动中的目的细胞需要先靠近并接触捕获界面，，，，，，，才华被有用识别和保存。。。。。因此，，，，，，，怎样自动增进血管内的横向输运和局部物质交流，，，，，，，是多类血管内治疗与诊断使命面临的配合问题。。。。。

为解决这一问题，，，，，，，研究团队开发了纤毛型微型机械人CiliaVine。。。。；；；；；等俗爸糜医用导丝远端，，，，，，，可通过远程磁场驱动柔性纤毛爆发多种振荡模式，，，，，，，形成偏向和形态可调的局部流场。。。。。CiliaVine能够缓解层流及近壁界线层对横向输运的限制，，，，，，，并凭证差别使命实现颗粒输运、局部扫除、外貌富集等操作。。。。。

03研究内容

CiliaVine由柔性主体和螺旋排列的磁性软纤毛组成，，，，，，，并集成于医用导丝远端。。。。。在收拢状态下，，，，，，，纤毛贴近导丝，，，，，，，可减小机械人整体轮廓，，，，，，，使其能够随介入导管通过狭窄、弯曲和分支血管。。。。。抵达目的区域后，，，，，，，通过改变磁场偏向可使纤毛向外睁开。。。。。在振荡磁场作用下，，，，，，，纤毛则在睁开和收拢状态之间周期运动，，，，，，，将远程磁场输入转化为对周围流体的一连机械扰动。。。。。该设计兼顾了介入递送所需的紧凑结构和局部血流调控所需的较着述用规模，，，，，，，使机械人能够在抵达目的后原位启动流场操控功效（图1、视频1）。。。。。

图1 CiliaVine的结构、导管递送与局部血流调控原理

视频1 CiliaVine的磁场驱念头制

通过调理外部磁场，，，，，，，研究职员为CiliaVine设计了泵送、抽吸和混淆三种流场调控模式。。。。。在泵送模式下，，，，，，，纤毛将流体推离纤毛端部并形成具有明确偏向的净输运；；；；；反转磁场波形后，，，，，，，动力行程偏向随之改变，，，，，，，形成将流体吸向纤毛端部的抽吸模式。。。。；；；；；煜Ｊ较，，，，，，，纤毛举行较为对称的往复振荡，，，，，，，并在两侧周期性地爆发旋转偏向相反的微涡旋，，，，，，，从而增强局部流体交流。。。。。由此，，，，，，，只需改变外部磁场波形，，，，，，，无需替换机械人结构，，，，，，，即可切换流动偏向和事情模式，，，，，，，实现对局部流场的精准调控（图2、视频2）。。。。。

图2 磁性纤毛的泵送、抽吸和混淆模式及其流场

视频2 泵送与抽吸模式下的局部流场可视化

在血管模子中，，，，，，，静止状态下的示踪颗粒主要沿轴向流线运动，，，，，，，其空间漫衍受到层流约束，，，，，，，难以由血管中心自动迁徙至近壁区域。。。。。启动泵送模式后，，，，，，，CiliaVine爆发径向流动，，，，，，，将主流区中的颗粒浚浚浚？？？缭搅飨呤湓酥裂鼙谥芪А。。。。在抽吸模式下，，，，，，，机械人又可快要壁区域积累的颗粒重新带回流速较高的主流区，，，，，，，并借助配景血流将其快速扫除。。。。；；；；；煜Ｊ奖⒌木植课⑽行蛞涣哦帕９旒，，，，，，，增添流动颗粒与纤毛外貌的接触时机，，，，，，，从而增进外貌富集。。。。。相关实验批注，，，，，，，统一机械人能够凭证使命需求，，，，，，，在横向输运、近壁扫除和局部富集之间无邪切换，，，，，，，形成多模态的流体中集群操控能力（图3）。。。。。

图3 CiliaVine通过自动调控血流实现多模态颗粒操控

研究团队进一步验证了CiliaVine在血管内药物递送和溶栓方面的应用潜力。。。。；；；；；等丝删曜冀槿氲脊芙刖哂型淝头种Ы峁沟难苣Ｗ，，，，，，，并在抵达目的位置后伸出导管、睁开纤毛，，，，，，，原位启动局部流场调控。。。。。在水凝胶血管模子中，，，，，，，泵送模式能够增进消融态药物跨越轴向流线，，，，，，，由血管中心向血管壁输运，，，，，，，并进一步向周围质料内部渗透，，，，，，，从而改善纯粹依赖被动扩散时近壁给药缺乏的问题。。。。。

在附壁血栓模子中，，，，，，，血栓外貌的流体界线层同样会限制溶栓药物的转达。。。。。CiliaVine的纤毛振荡一方面增进溶栓药物抵达血栓外貌，，，，，，，另一方面形成局部循环流动，，，，，，，将消融历程中爆发的血栓残留物实时带离作用区域，，，，，，，阻止残留物一连群集。。。。。该历程将药物输运增强与流体扫除相团结，，，，，，，从而加速附壁血栓的消融，，，，，，，体现了自动血流调控对治疗历程的辅助作用（图4）。。。。。

图4 CiliaVine增进血管壁药物递送与附壁血栓消融

除治疗性操作外，，，，，，，研究团队还使用CiliaVine开展循环肿瘤细胞（CTC）富集。。。。。古板血管内捕获界面主要依赖流动细胞与质料外貌的被动接触，，，，，，，而在层流和近外貌界线层作用下，，，，，，，许多目的细胞会随主流绕过捕获区域。。。。。为提高目的细胞与机械人外貌的接触概率，，，，，，，研究职员在纤毛外貌修饰特异性抗体，，，，，，，并使用纤毛振荡爆发的微涡旋和局部低压流体区域，，，，，，，将流动中的细胞吸引至纤毛周围。。。。。

在这一历程中，，，，，，，纤毛振荡爆发的局部流场首先改变细胞原有的运动轨迹，，，，，，，并在机械人周围形成流体陷阱，，，，，，，促使目的细胞逐渐向纤毛外貌迁徙；；；；；当细胞与机械人接触后，，，，，，，外貌修饰的特异性抗体通过识别细胞外貌标记物，，，，，，，将其稳固捕获。。。。。因此，，，，，，，CiliaVine形成了“流体吸引—近壁接触—免疫识别”的协同捕获机制，，，，，，，将自动流体操控与生物化学识别有机团结。。。。。在模拟血液中，，，，，，，磁驱动状态下的细胞捕获效率约为静止状态的4.6倍。。。。。在猪全血中，，，，，，，磁驱动同样显著提升了细胞富集能力，，，，，，，并能够从循环肿瘤细胞浓度低至10个/毫升的样本中捕获目的细胞。。。。。这些效果批注，，，，，，，该战略在重大血液组分和心理相关流动条件下仍具有优异的细胞富集能力（图5）。。。。。

图5 循环肿瘤细胞富集机制

研究职员进一步使用肝癌患者血液样本和兔VX2肝肿瘤模子开展验证。。。。；；；；；颊哐笛橛糜谄拦繡iliaVine在真实、重大血液配景下富集循环肿瘤细胞的能力。。。。。在动物实验中，，，，，，，CiliaVine经股静脉介入，，，，，，，并通过导管被递送至下腔静脉。。。。。研究职员在DSA指导下完成机械人的定位与释放，，，，，，，随后使用外部磁场驱动纤毛在活体血管内周期振荡，，，，，，，实现循环肿瘤细胞的原位富集。。。。。实验效果显示，，，，，，，CiliaVine能够从荷瘤兔的血液循环中捕获循环肿瘤细胞，，，，，，，荷瘤组的细胞富集数目显着高于康健比照组，，，，，，，批注该机械人在重大活体血流情形中仍具有有用的细胞捕获能力。。。。。完成操作后，，，，，，，机械人可重新收拢并撤回导管，，，，，，，以便对捕获细胞举行后续染色判断和剖析。。。。。起源清静性评价未发明机械人事情区域保存显着炎症反应、组织损伤或其他异常，，，，，，，相关血液相容性实验也为其进一步研究提供了基础。。。。ㄍ6、视频3）。。。。。

图6 肝癌患者血样与兔VX2肝肿瘤模子中的CTC富集验证

视频3 CiliaVine在兔体内的经导管递送与磁驱动

总体而言，，，，，，，该研究建设了从磁性纤毛运动、局部流场形成、颗粒与细胞操控，，，，，，，到药物递送、溶栓和循环肿瘤细胞富集的完整验证链条。。。。。CiliaVine不但能够被递送至目的血管区域，，，，，，，还能够在抵达后自动重塑局部流体微情形，，，，，，，为机械人辅助的血管内治疗、有数细胞富集和原位生物传感提供了新的手艺路径。。。。。

04作者简介

本文通讯作者为优德官网微纳机械人中心主任、香港中文大学（深圳）副教授俞江帆。。。。。

俞江帆是香港中文大学（深圳）理工学院副教授、人工智能学院兼聘副教授、校长青年学者、优德官网（优德官网）微纳机械人中心主任。。。。。他是国家高条理青年人才，，，，，，，主持国家重点研发妄想青年科学家、国家自然科学基金、广东省面上、深圳市重点等项目。。。。。他是招商局-优德官网医疗机械人未来工业团结实验室学术带动人，，，，，，，担当中国自动化学会、中国盘算机学会智能机械人专委会执行委员、中国微纳手艺学会微纳机械人分会理事、IEEE高级会员。。。。。他的研究主要集中在医用微型机械人领域，，，，，，，至今揭晓了80余篇顶级期刊及聚会文章、2部专著、1部编著，，，，，，，以第一/通讯作者身份揭晓文章包括Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Science Advances、Nature Communications、IJRR、TRO、Advanced Materials等。。。。。他获得了多个有影响力的奖项，，，，，，，包括IEEE RAS Early Academic Career Award、亚太区 MIT TR 35、IROS 最佳学生聚会论文奖，，，，，，，国际基础科学大会前沿科学奖、吴文俊人工智能科技奖自然科学奖二等奖、中国电子学会自然科学二等奖、百度全球华人AI青年学者、IEEE 3M-NANO Rising Star Award。。。。。他担当IEEE TRO、IEEE TASE的编委，，，，，，，以及Science Robotics、Science Advances、Nature Nanotechnology、Nature Sensors、Nature Communications、PNAS等多个顶级期刊和聚会的审稿人。。。。。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院助理研究员王一斌。。。。。

王一斌，，，，，，，本科结业于哈尔滨工业大学（威海），，，，，，，硕士结业于卡内基梅隆大学，，，，，，，博士结业于香港中文大学（深圳），，，，，，，现为俞江帆教授团队助理研究员，，，，，，，主要研究小标准磁性软体机械人的结构设计、驱念头理及生物医疗应用。。。。。以第一作者或配合第一作者身份在Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Science Advances等期刊揭晓研究效果。。。。。

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