微型血管软体机器人：主动调控血流，加速血栓溶解新突破
在心血管疾病治疗中，血流异常，尤其是局部血流减缓，不仅是血栓形成的重要诱因，也是药物递送效率低下的关键障碍。当血管因斑块或痉挛而狭窄时，血流速度下降会促进血小板等循环颗粒的病理性黏附，加速血栓发展；而在完全闭塞的血管中，溶栓药物难以有效到达病灶，往往需要大剂量注射，这不仅增加了出血等并发症风险，也难以保证理想的治疗效果。现有的介入手段虽能机械性清除血栓，却可能损伤血管壁；药物溶栓则受限于局部血流环境。因此，如何在闭塞或狭窄的血管中主动、安全地恢复和增强局部血流，成为血管疾病治疗中亟待解决的核心难题。
香港中文大学（深圳）俞江帆助理教授、中国医学科学院肿瘤医院深圳医院宋鹏副主任医师、李肖主任医师合作团队开发了一种微型血管内软体机器人，灵感来源于生物纤毛的运动机制（图1）。该机器人由磁性层和纤毛毯两部分组成：磁性层使机器人能够在外部磁场引导下，通过多种运动模式自适应地导航至目标血管分支；而纤毛毯在旋转磁场驱动下产生协调的节律性波动，从而主动驱动局部流体，恢复甚至增强闭塞血管中的血流。这一设计的核心优势在于，导航与血流调控功能相互解耦，机器人可先精准定位，再定点启动流场增强。研究团队在体外血管模型和大型动物实验中验证了该系统的有效性，结果表明，机器人不仅能恢复闭塞分支中的血流，还能显著提高溶栓药物的递送效率，缩短再通时间，减少残余血栓，为更安全、可控的血管内治疗提供了新工具。相关论文以“A miniature endovascular soft robot for active blood flow regulation in occluded vessels”为题，发表在Nature Biomedical Engineering上。
图1 | 微型血管软体机器人的示意图及应用。该机器人旨在严重或完全闭塞的血管分支中调控和增强局部血流，从而加速药物递送和溶栓过程。机器人由磁性层和纤毛毯组成：磁性层使其能够在医学影像引导下导航至靶血管，纤毛毯则在旋转磁场驱动下产生节律性波动以实现血流调控。机器人可适应不同直径的血管，其尺寸也可根据靶血管定制。
纤毛运动机制解析：角度与对称性决定输运效率
为了设计高效的流场调控单元，研究团队首先对单根纤毛在磁场下的运动行为进行了系统表征（图2a）。他们发现，当外部旋转磁场的旋转平面与纤毛长轴之间的夹角（即场-纤毛角α）变化时，纤毛的摆动模式会发生显著改变。在α较小时，纤毛的"有效行程"时间较长，而"恢复行程"时间较短，这种时间不对称性正是纤毛产生定向流体的关键。随着α增大至90°，有效行程与恢复行程的轨迹趋于对称，流体的输运效率也随之下降。通过对时间不对称性（有效行程与恢复行程的时间比Tp/Tr）和空间不对称性（扫过面积在x-z平面投影）的定量分析（图2b），研究团队确认了较小的场-纤毛角有利于提高流体的输运能力。
在纤毛阵列层面，研究进一步揭示了阵列几何构型对流场的影响（图2c）。实验表明，具有更大圆心角的弧形纤毛阵列能够诱导更强的时均流场（图2d）。当阵列从半圆形扩展到更大的圆心角时，纤毛数量增加，协同产生的定向流体更为显著，这为后续纤毛毯的优化设计提供了基础依据。
图2 | 单根纤毛与弧形纤毛阵列的表征。a，轴向磁化纤毛在一个运动周期内的摆动行为。纤毛在0.5 Hz旋转磁场、不同场-纤毛角下被驱动，图中展示了周期内十个等间隔时刻的姿态。比例尺：300 μm。b，时间不对称性和空间不对称性随倾角的变化。数据以均值±标准差表示（n=3次独立实验）。c，半圆形纤毛阵列在不同时刻诱导的流场。白色虚线框标记纤毛阵列侧视图。比例尺：1 mm。d，四种圆心角下纤毛阵列的时均流场。
纤毛毯结构优化：反节律波与密集排布实现更强流速
在管状血管环境中，纤毛毯的空间排布与波动模式直接决定了其血流调控效率（图3a）。研究团队比较了两种典型的纤毛波动模式——同向波与反向波（图3c）。在同向波中，波的传播方向与流体运动方向一致；而在反向波中，两者方向相反。实验结果显示，产生反向波的纤毛毯具有更高的流体输运效率。虽然两种模式产生的瞬时流场强度相当，但反向波在时间平均后的流场强度显著更强（图3d），这可能与其在纤毛尖端诱导的涡结构及边界层扰动方式有关。在不同驱动频率下，反向波模式均能产生更高的平均流速（图3e）。
为了最大化流速，研究团队还系统优化了纤毛的排布密度。通过改变纤毛的行间距和列间距，他们发现，当行间距为纤毛长度的0.6倍、列间距为0.4倍时，产生的流速达到峰值（图3f）——更密集的排布增强了协同效应，但过密则可能因流体动力学干扰而降低效率。此外，纤毛在血管内壁的覆盖角度也存在最优值：当覆盖角度从0°增大至180°时，流速持续上升，但超过180°后，部分纤毛在相同磁场下的有效行程方向相反，反而产生对抗流动，导致整体流速下降（图3g）。这一系列优化为机器人的纤毛毯设计确立了关键参数。
图3 | 纤毛毯的表征与结构优化。a，纤毛毯流场表征实验装置。b，荧光示踪粒子显示的纤毛毯诱导流场。比例尺：1 mm。c，同向波与反向波纤毛毯的波传播与流体输运对比。蓝色框标示纤毛波动前沿，蓝色箭头示波传播方向，粉色箭头示流体方向。d，两种纤毛毯的时均流场对比。e，不同驱动频率下两种模式的平均流速对比。f，不同纤毛行间距和列间距下的流速分布。g，纤毛覆盖角度与流速的关系。
机器人的流场调控能力：超越纤毛毯，涡流增强流体交换
将纤毛毯与磁性基底结合后，机器人的流场调控性能得到了显著提升（图4a）。在完全闭塞的血管模型中，研究团队对比了纤毛毯单独作用和完整机器人作用时诱导的流场。结果显示，机器人产生的流场在入口和出口区域均强于单纯纤毛毯。更值得注意的是，虽然两者在闭塞端附近都形成了主涡旋，但机器人在主涡旋旁还诱导出了更强的伴随涡旋，这显著增强了闭塞末端的流体交换。研究者分析认为，磁性基底在磁场作用下的微小振动能够有效破坏壁面附近的边界层，从而促进近壁区的流体混合，这是机器人流场增强效果优于纤毛毯的重要原因。同时，机器人诱导的流场剪切速率（最大约4.93 s⁻¹）远低于激活血小板的阈值（约2,200 s⁻¹），表明其生物安全性良好。
在更具生理相关性的复杂血管模型中，机器人的分支选择性流场增强能力也得到了验证（图4b）。在分叉血管模型中，机器人被部署至其中一支分支。当不施加磁场时，机器人的存在几乎不影响该分支的基础流速；而一旦施加旋转磁场，分支内的流速显著提升。在狭窄血管模型（狭窄程度达70%，模拟临床典型狭窄）中，部署在狭窄段上游的机器人同样能有效增强下游流场（图4c）。此外，在主流流速高达500 mm/s的条件下，机器人能够将主流中的流体"泵入"完全闭塞的侧支（图4e），荧光染料实验直观地展示了这一过程：3分钟内染料即可进入右侧闭塞分支，6分钟到达远端，而无机器人干预的左侧分支仅能依靠缓慢扩散，范围极为有限。
研究团队还系统考察了不同主流流速（图4f）、不同分支角度（图4g，水平放置）以及不同倾斜角度（图4h，垂直放置）下机器人的流场增强效果。结果表明，在20 Hz驱动频率下，各分支流速均增加约2 mm/s，且该增量几乎不随主流流速变化，说明流速增强主要源于机器人自身的泵送效应。无论分支与主干的夹角为锐角、直角还是钝角，机器人的流场增强效果均保持稳健，甚至在垂直分支（90°夹角）中仍能实现20.5%的流速提升。这些结果证明了该机器人对不同血管几何构型的广泛适应性。
图4 | 机器人的主动血流调控。a，完全闭塞血管模型中纤毛毯与机器人诱导的流场对比。比例尺：5 mm。b，分叉血管分支中机器人的流场增强效果。比例尺：5 mm。c，70%狭窄血管模型中的流场增强验证。比例尺：5 mm。d，机器人对颗粒壁面黏附的抑制效果。比例尺：5 mm。e，机器人将主流染料泵入闭塞侧支的时程。主流流速500 mm/s，两侧支完全闭塞。比例尺：10 mm。f，不同主流流速下分支流速随驱动频率的变化。g，不同分支角度下流速随频率的变化（水平放置）。h，不同倾斜角度下流速随频率的变化（垂直放置）。数据以均值±标准差表示（n=3次技术重复，f-h）。
多模式自适应运动：从大血管快速翻滚到小血管精准推进
机器人的临床实用性不仅取决于流场调控能力，还要求其在复杂血管网络中具备可靠的导航性能（图5a-b）。研究团队系统表征了机器人在不同磁场条件下的运动行为。通过调节磁铁旋转轴的倾角，机器人可实现多种运动模式。实验表明，机器人速度随磁铁平移速度线性增加，随倾角增大而降低（图5c）；在高达50 mm/s的对抗血流中，机器人仍能有效前进（图5d）。通过切换磁场参数，机器人还能在高速血流中稳定锚定，保证流场调控的精准定位（图5e）。
机器人在高迂曲血管中的通过能力尤为突出。在含15个连续180°急转弯的硅胶血管模型中，机器人成功通过了所有弯道，而普通导丝在第3个弯道即卡滞，磁性导丝也在第5个弯道失败。这是因为机器人具有净磁矩，能够在外磁场中保持特定朝向，从而实现姿态的实时调整——这一能力在X射线成像下也得到了验证。该机器人展现出的灵活性和适应性，远超现有导丝技术。
体外溶栓验证：机器人使再通时间缩短一半以上，血栓残留显著减少
在体外分叉血管模型中，研究团队利用新鲜猪全血制备了完全堵塞侧支的血栓，并在主流中注入组织型纤溶酶原激活剂（图5f）。实验组中，机器人被部署于血栓与分叉之间，并在旋转磁场驱动下启动流场调控；对照组则仅依赖tPA的被动扩散。结果显示，实验组在12分钟即可观察到溶解的血栓碎片从闭塞分支排出，38分钟实现完全再通，仅残留少量壁面血栓；而对照组在85分钟才实现再通，且血管壁上残留大量血栓。五个独立实验的平均再通时间显示，机器人组为40.4分钟，对照组为95分钟（图5g），再通时间缩短了57%以上。
在超声多普勒成像下（图5h），机器人组在部署后即可在机器人与血栓之间检测到明显的血流信号，表明其成功诱导了局部血流；对照组在210分钟内几乎未观察到血栓附近的血流信号。为进一步定量评估药物递送效率，研究团队设计了tPA浓度检测实验（图5i）：在主流中以500 mm/s流速灌注猪血，并从两侧闭塞分支远端定时采样。结果表明，机器人调控的分支中tPA浓度在10分钟内即迅速上升至接近主流浓度水平；而无机器人干预的分支中，tPA浓度上升极为缓慢，至50分钟时仅达到主流浓度的67.9%（图5j）。这清晰地表明，机器人通过主动流场调控，能够将药物从高速主流有效"重定向"至闭塞分支，而被动扩散则远远无法满足治疗需求。
研究团队还评估了机器人在促凝环境下的抗血栓形成能力（图5k）。在含凝血酶的猪血灌注回路中，无机器人干预的分支在20分钟内即逐渐形成并扩展血栓；而机器人调控的分支在180分钟内始终保持通畅，超声B模式和Doppler模式均证实了这一点（图5l）。解剖后可见，无机器人分支完全被致密血栓堵塞，而机器人分支管腔干净。这一结果证明，机器人不仅能溶解已有血栓，还能通过维持局部血流有效预防新血栓形成，即使在整体促凝条件下亦然。
图5 | 机器人运动性能与体外溶栓验证。a，机器人在分叉血管中选择性进入靶向分支。比例尺：5 mm。b，机器人在倾斜分支中的三维运动。比例尺：5 mm。c，不同驱动角度下机器人速度随磁铁平移速度的变化。d，不同对抗血流速度下机器人运动速度。e，驱动距离与机器人速度的关系。f，机器人辅助溶栓与无机器人对照的再通过程对比。g，机器人组与对照组的再通时间对比（n=5次独立实验，未配对双尾Welch t检验，P=0.0004）。h，超声成像下的全血溶栓过程。i，tPA递送实验装置示意图。j，机器人调控分支与无机器人分支中tPA浓度随时间变化（n=3次技术重复）。k，机器人致栓性评估实验装置。l，有无机器人分支的超声影像对比。比例尺：5 mm。
动物体内验证：再通时间缩短3.6倍，血管内皮完整无损
在巴马猪体内实验中，研究团队在X射线透视引导下验证了机器人的导航、流场调控和溶栓效果（图6a）。机器人经导管植入后，在大直径血管中采用翻滚运动快速前进，并具备较强的抗血流能力（图6b）；遇到小直径血管时，自动切换为进动运动以适应狭窄空间（图6c）——这种模式切换体现了机器人对血管结构的自主适应性。在股动脉血栓模型中，机器人被部署至血栓上游分叉处（图6e）。注入造影剂后，无机器人驱动时造影剂几乎无法进入闭塞分支；而机器人启动后，造影剂被有效输送至血栓所在位置，表明流体交换得以实现。
在溶栓实验中（图6f），机器人组的三个独立试验中再通时间分别为35分钟、40分钟和60分钟，且两个试验中无壁面血栓残留，第三个试验仅残留少量血栓；而无机器人对照组的三次试验再通时间分别为170分钟、150分钟和170分钟（图6g），平均再通时间为机器人组的3.63倍，且均残留大块壁面血栓（图6h）。统计学分析显示P值为0.0003，差异极其显著，有力证明了机器人在体内加速溶栓的有效性。
苏木精-伊红染色显示，治疗后血管内皮完整，未见炎症反应，证实了机器人的生物相容性。此外，细胞毒性测试和溶血率测试（0.738%）均表明该机器人具有良好的安全性。最后，研究团队还演示了机器人的血管内回收：机器人向导管鞘方向运动，通过血管狭窄段后顺利取出（图6i），实现了完整的"导航-治疗-回收"闭环操作。
图6 | 动物体内导航与溶栓验证。a，机器人经导管植入及X射线导航示意图。b，大血管中的翻滚运动。c，小血管中的进动运动。d，动脉内精确姿态调整。e，机器人启动前后造影剂进入闭塞分支的对比。f，机器人辅助的体内溶栓再通过程。g，无机器人对照组的再通过程。h，机器人组与对照组再通时间对比（n=3次独立实验，未配对双尾Welch t检验，P=0.0003）。i，机器人血管内回收过程。比例尺：5 mm。a图插图由BioRender绘制。
总结与展望：从血流调控到精准介入治疗的新范式
本研究提出了一种集导航与局部血流主动调控于一体的微型血管软体机器人，为闭塞性血管疾病的治疗提供了全新思路。与传统方法相比，该机器人不仅能够恢复血流，更重要的是能够主动将溶栓药物递送至病灶，在加速血栓溶解的同时减少壁面残余血栓，从而可能降低术后复发风险。其导航与流调控功能解耦的设计保证了治疗的精准性，而外部旋转磁场的单一驱动方式也降低了系统复杂度。研究团队指出，该机器人作为一种通用的血流调控工具，不仅可用于急性血栓治疗，还有望在预防术后再狭窄、改善局部药物递送等方面发挥重要作用。未来，随着成像导航技术和自动化控制算法的进一步融合，该技术有望推动血管内介入治疗迈向更安全、更高效、更智能的新阶段。
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