胃腸道炎癥、潰瘍、出血、感染乃至腫瘤等疾病臨床高發(fā)，給患者和社會帶來沉重的疾病負擔。傳統(tǒng)胃腸鏡雖具備良好的可視化與操作能力，但由于需要經(jīng)自然腔道插入，嚴重影響了患者體驗與依從性；膠囊內(nèi)鏡雖顯著降低了檢查門檻，卻長期局限在“以成像為主”的階段——發(fā)現(xiàn)病灶后，往往仍需進一步內(nèi)鏡介入處置才能完成治療。

為橋接“診斷—治療”之間的斷裂鏈條，臨床與工程亟需一種更貼近真實流程的系統(tǒng)：它能在腔道內(nèi)被精準操控，又能提供實時成像反饋，還能在病灶處完成安全、可控的局部給藥或干預。

廣東工業(yè)大學隋建波/中山大學蔣樂倫團隊聯(lián)合開發(fā)出一款新型磁控膠囊機器人MARCE，實現(xiàn)了將“磁控導航—在位可視化—靶向遞送”整合于一體，使一次吞咽更接近“一次完成檢查與治療”的流程閉環(huán)。相關成果以“A Magnetically Actuated Robotic Capsule Endoscope for In-Situ Visualization and Microneedle-Mediated Targeted Drug Delivery in Gastrointestinal Tract”為題，發(fā)表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。中山大學陳偉源博士生為論文的第一作者，廣東工業(yè)大學隋建波副教授與中山大學蔣樂倫教授為論文的共同通訊作者。

• 檢查—治療一體化的“臨床閉環(huán)”

MARCE 的系統(tǒng)思路可以概括為三段式鏈路：外部電磁驅動系統(tǒng)（EMA）作為驅動單元，為膠囊提供可控的運動與姿態(tài)調整能力，使其能夠在腸道環(huán)境中主動接近并對準目標區(qū)域；膠囊前端的微型攝像頭提供連續(xù)的在位成像反饋，用于定位確認與病灶觀察；到達目標后，膠囊觸發(fā)局部遞送模塊完成靶向給藥，從而形成“可視化引導下的精準遞送”流程。總體而言，磁控運動與姿態(tài)控制解決“到達與對準”，在位成像提供閉環(huán)反饋，可控保護結構解決“遞送時序”，并通過雙層貼片結構兼顧相鄰多病灶的連續(xù)遞送需求。

圖1呈現(xiàn)了 MARCE 的整體工作方式：在外部電磁系統(tǒng)提供操控能力下，膠囊機器人端提供實時圖像反饋與藥物遞送，形成“到達—確認—遞送”的閉環(huán)流程。它明確了驅動單元、感知單元與末端遞送單元之間的關系，也突顯了系統(tǒng)的“可控性、可視化與遞送可靠性”。

圖1. MARCE 的設計概念。

• 結構組成與功能模塊

膠囊機器人結構圍繞三件事展開：在位可視化、可控遞送，以及在復雜消化液環(huán)境下的可靠工作。圖2中給出了膠囊外觀、剖面結構與主要部件裝配關系：前端集成可回縮的微型攝像頭，用于在遞送動作發(fā)生前后保持有效視野；同時集成兩片載藥微針貼片，用于相鄰病灶的連續(xù)遞送。另一個關鍵部件是可控保護蓋，它在膠囊通過消化液環(huán)境時對微針貼片進行隔離保護，減少提前溶解或污染風險；到達目標后再釋放，保證微針貼片在“正確的時間窗口”進入工作狀態(tài)。文中的可溶性載藥微針貼片，由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch? S230，精度：2μm）打印的模具并翻模制成。

圖2. MARCE的組裝與表征。

• 外部電磁驅動系統(tǒng)：實現(xiàn)可控運動與姿態(tài)調整

外部電磁驅動系統(tǒng)由多組線圈構成，通過不同線圈組合生成用于“推進”和“轉向/俯仰”的磁場效應，從而在空間內(nèi)實現(xiàn)膠囊的三維運動與姿態(tài)控制。圖3中同時給出了從操作者輸入、到系統(tǒng)計算、再到線圈輸出的控制流程，并用仿真與實測對照、以及腸道仿真環(huán)境下的運動展示來說明系統(tǒng)的可控性與一致性。

圖3. EMA系統(tǒng)與磁控運動展示。

• 治療模塊：保護結構、觸發(fā)機制與遞送鏈條

治療模塊的核心在于“可控與可靠”。圖4中介紹了保護蓋釋放前后的狀態(tài)變化，通過響應過程與熱安全評估的測試思路驗證觸發(fā)機制的可控性與安全性，并進一步展示了貼片如何在組織表面逐步溶解并釋放藥物。

圖4. MARCE 的藥物輸送性能。

• 端到端流程驗證：從導航到遞送的一體化演示

圖5展示了膠囊機器人精準藥物遞送的實驗過程。在腸道模型中，膠囊在磁控導航下接近目標病灶，調整姿態(tài)后釋放保護結構，隨后將兩片載藥微針貼片分別遞送至兩個目標點。圖中也展示了離體豬腸段的驗證過程：操作者依據(jù)膠囊內(nèi)相機的實時畫面進行操控，在更接近真實組織環(huán)境的條件下完成遞送動作。它將“操作（磁控）—感知（成像）—末端（遞送）”串成閉環(huán)流程，為后續(xù)在體驗證、復雜病灶模型及更高層級閉環(huán)策略研究提供了可復用的流程范式與評估思路。

圖5. 基于微針的 MARCE 靶向藥物輸送。

• 總結：

本研究提出磁控膠囊機器人（MARCE），面向胃腸道場景實現(xiàn)“可視化引導下的靶向局部遞送”。該系統(tǒng)將外部電磁操控與膠囊端實時成像結合，使膠囊能夠在腔道內(nèi)主動導航并精確對準目標區(qū)域；同時通過可控保護結構在到達目標后釋放載藥可溶微針貼片，實現(xiàn)按需的靶向遞送。離體驗證表明，該平臺能夠完成穩(wěn)定的貼附、穿刺、留置與釋放過程，將診斷、定位與局部治療動作貫通為一體化流程。作為一種可擴展的診療融合載體，MARCE 為面向出血等需要即時干預的胃腸道疾病提供了新的工程化路徑，也為未來智能化、集成化的腔內(nèi)精準給藥與微創(chuàng)治療設備奠定了平臺基礎。

https://doi.org/10.1038/s41378-025-01145-5

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