理工學院俞江帆教授團隊在Science子刊Science Advances上發(fā)表文章
近日，香港中文大學（深圳）理工學院俞江帆教授團隊在Science Advances合作發(fā)表以“Microrobotic swarms for selective embolization”為題的文章。
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01 期刊簡介
Science Advances是美國科學促進協(xié)會（AAAS）的多學科期刊，是Science子刊。在幾乎所有科學領域發(fā)表有世界級影響力的研究論文和評論。Science Advances通過擴展Science雜志的能力來至此AAAS的使命，以識別和促進科學和工程在廣泛領域的重大進展。Science Advances最新影響因子為14.972，JCR分區(qū)Q1。
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02 研究背景
Science Advances是美國科學促進協(xié)會（AAAS）的多學科期刊，是Science子刊。在幾乎所有科學領域發(fā)表有世界級影響力的研究論文和評論。Science Advances通過擴展Science雜志的能力來至此AAAS的使命，以識別和促進科學和工程在廣泛領域的重大進展。Science Advances最新影響因子為14.972，JCR分區(qū)Q1。
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03 研究方法
作者提出了一種基于微米機器人集群的選擇性區(qū)域栓塞策略（圖1A）。該策略使用小于毛細血管直徑的微米磁性顆粒，并且該顆粒通過表面功能化載有凝血酶作為栓塞介質(zhì)，以促進血栓的形成。為了精準的控制栓塞范圍以達到局部栓塞，避免栓塞健康的血管分支，本文作者研發(fā)了的獨特的集群驅(qū)動方法，能夠維持在指定區(qū)域內(nèi)的微米機器人集群的完整性，指定區(qū)域外部則無法形成集群。因此，指定區(qū)域內(nèi)部的血管將被區(qū)域性栓塞。
圖1?基于微米機器人集群的選擇性區(qū)域栓塞策略和在流動環(huán)境下的集群完整性分析
在流動環(huán)境中，微米機器人集群受到流體的影響，導致集群容易在血管分支處瓦解。作者針對此情況推出了一個分析模型，描述了流體粘度、流速、分支角、磁場強度和集群完整性之間的關系（圖1B），并進行了實驗驗證（圖2）。實驗結果證實可以通過調(diào)控磁場強度來控制磁性微米機器人集群在血管分支處的完整性。作者分析了磁性集群在流動和血管分支環(huán)境下的完整性（圖1B），并推導出對應的數(shù)學模型并進行了實驗驗證（圖2）。
圖2?在流動環(huán)境下微米機器人集群完整性的實驗驗證
為了實現(xiàn)精準定域栓塞，作者基于已得到的數(shù)學模型，設計有效的磁性微米機器人集群的驅(qū)動方式（圖3）。此驅(qū)動方式通過控制線圈系統(tǒng)中電流的搭配和時間分布（圖3A），從而在目標區(qū)域內(nèi)（圖3A的黑圈）生成強磁場維持集群的完整性，反之在指定區(qū)域外，磁場不足以維持集群穩(wěn)定，集群會被流體瓦解（圖3C，D）。
圖3?在流動條件下保持目標區(qū)域內(nèi)集群完整性的驅(qū)動策略和實驗驗證
作者結合該驅(qū)動方式和凝血酶修飾的磁性微米顆粒，依次在微流道、離體豬大網(wǎng)膜和體內(nèi)豬腎臟進行選擇性區(qū)域栓塞。在微流道環(huán)境中，作者比較三種栓塞方法，其中包括（一）凝血酶溶液、不加磁場；（二）凝血酶修飾磁性顆粒、施加均勻旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動；（三）凝血酶修飾磁性顆粒、上述所提出的驅(qū)動磁場。實驗結果顯示僅有方法三可以達成目標區(qū)域內(nèi)的微流道閉塞，方法（一）和（二）都導致了指定區(qū)域以外的微流道閉塞（圖4E）。電鏡圖顯示導致閉塞的凝塊由微米顆粒集群、血紅細胞和纖維蛋白組成（圖4B）。
圖4?微流道栓塞的實驗結果
作者接著在離體豬大網(wǎng)膜和體內(nèi)豬腎臟驗證了微米機器人集群進行局部栓塞的有效性（圖5）。離體實驗結果顯示僅在目標區(qū)域內(nèi)的血管被阻斷，其他部分的血管網(wǎng)保持正常流動（圖5C）。豬活體實驗結果顯示：使用凝血酶溶液會導致非靶向微流道閉塞（圖5E第一組）。相反的，適量的凝血酶修飾的磁性顆粒在沒有磁場驅(qū)動的環(huán)境下沒有造成血管閉塞（圖5E第二組）。該凝血酶修飾的磁性顆粒在本研究所推出的驅(qū)動方式下，可實現(xiàn)精準的局部定域栓塞（圖5E第三和第四組）。
圖5?離體組織和體內(nèi)豬腎臟栓塞的實驗結果。圖C的黑圈和圖E的黃圈表示實驗中設定的栓塞區(qū)域。被阻斷的血管因沒有造影劑通過在血管造影DSA檢查下不顯現(xiàn)
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04 研究結論
本文研發(fā)了一種微米機器人集群的驅(qū)動策略，從而實現(xiàn)了高選擇性定域栓塞。本文中所提出的、基于微米機器人的栓塞策略可以為各種臟器的原發(fā)癌提供潛在的治療方案，以減輕由目前的被動的、非選擇性栓塞技術引起的并發(fā)癥。
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05 作者簡介
本文共同通訊作者為香港中文大學（深圳）助理教授俞江帆
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俞江帆教授是香港中文大學（深圳）助理教授、香港中文大學（深圳）校長青年學者、深圳市人工智能與機器人研究院（AIRS）院級項目負責人。他入選了2021年國家海外高層次青年人才項目（海外），并擔任中國微納技術學會微納米機器人分會理事。俞教授在2018年獲得香港中文大學博士學位，先后在香港中文大學（2018-2019）和多倫多大學（2019-2020）作為博士后進行研究工作。
俞教授的研究主要集中在微納米機器人和醫(yī)療機器人領域，包括其材料設計、基礎理論建模、優(yōu)化驅(qū)動控制、及對口生物醫(yī)學應用。俞教授至今發(fā)表了超過35篇頂級期刊及會議文章，包括Nature Communications、IJRR、T-Ro、T-Mech、和ACS Nano等。他的數(shù)篇期刊論文被ESI收錄為高引用論文，并被Science、Nature、CNN等國際機構報導。俞教授獲得了多個有影響力的獎項，包括吳文俊人工智能科技獎自然科學獎二等獎（2022）、百度全球華人AI青年學者（2022）、福布斯30 under 30（2021）、Nature Communications評選的物理學50強文章（2018）、T-Mech最佳論文獎入圍（2019）、香港青年科學家入圍獎（2018）等。他擔任 IEEE RA-L 的副編輯、Frontiers in Robotics and AI 的客座編輯，International Conference on Ubiquitous Robots 2019、2021、2022的副編輯，以及多個頂級期刊和會議的審稿人。
俞教授的課題組為隸屬于屬于香港中??學（深圳）理?學院的智能微納機器人實驗室，是一個多學科高度交融的平臺，不僅需要研究材料科學、物理學、生物學等基礎科學，更關注并致力于研究小尺度機器人學、AI策略框架、控制理論和生物醫(yī)療等應用科學。實驗室將研發(fā)具有創(chuàng)新材料、不同結構、優(yōu)化組裝模式、新型集群行為和多樣功能性的微納米機器人，推進其在藥物遞送、癌癥治療、疾病診斷和微納尺度物理學領域的應用。實驗室致力于研發(fā)具有世界尖端水平的微納米機器人，并解決和人類生活、健康息息相關的真正問題。
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本文第一作者為香港中文大學（深圳）訪問博士生劉俊輝
劉俊輝，本科畢業(yè)于香港城市大學，現(xiàn)于多倫多大學孫鈺教授團隊攻讀博士學位。2021年起，作為訪問學生在香港中文大學（深圳）理工學院俞江帆教授團隊進行全職研究。主要研究方向為微納米機器人的結構設計、工作機理、驅(qū)動模式以及基于微納米機器人的生物醫(yī)療技術。
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文章轉(zhuǎn)自理工學院微信公眾平臺，鏈接為https://mp.weixin.qq.com/s/9VRz_CtzK8dxF5B9PTRYSQ
