引言：微型机器人在生物医学领域（如靶向给药、疾病诊断、微创手术）潜力巨大，但临床转化面临两大瓶颈：一是传统制造方法难以兼顾规模化与高精度，如传统双光子光刻（TPP）需将磁性纳米颗粒与树脂混合，易导致树脂透明度下降（影响激光聚合效率）和颗粒团聚（降低性能均一性），且后续磁涂层工艺成本高、磁性材料量有限；二是现有成像技术（如MRI、超声、OCT）无法实现深层生物组织中微型机器人的无创精准跟踪，MRI与磁驱动兼容差、超声分辨率低、OCT穿透深度仅数毫米，难以满足临床需求。为解决这些问题，2025年8月，美国密歇根州立大学Jinxing Li研究团队以“TriMag Microrobots:3D-Printed Microrobots for Magnetic Actuation,Imaging,and Hyperthermia”为题在《ADVANCED MATERIALS》期刊上发表文章，提出创新方案：采用双光子光刻（TPP）3D打印技术与原位化学反应相结合的方法，以生物相容性良好的PEG-DA/PETA水凝胶为支架，先将Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺金属离子与光敏水凝胶混合打印，再通过NH₄Cl或NaOH触发原位反应生成Fe₃O₄（提升磁颗粒成像MPI对比度与磁驱动力）和CoFe₂O₄（增强磁热疗效率）纳米颗粒，最终制备出集成磁驱动、MPI成像、磁热疗三重功能的TriMag微型机器人，同时借助MPI技术（无生物组织干扰、亚毫米分辨率）实现深层组织中机器人的实时跟踪，为微型机器人的临床应用提供一体化解决方案。

摘要：微型机器人在生物医学应用领域具有巨大潜力，可用于药物递送、疾病诊断和微创手术等场景。然而，两大关键挑战阻碍了其临床转化：一是实现规模化高精度制造，二是实现深层生物组织内的无创成像与跟踪。磁颗粒成像（MPI）作为一种前沿成像技术，通过检测纳米颗粒的磁化强度，能够以亚毫米分辨率对超顺磁性纳米颗粒（SPIONs）进行可视化，且不受生物组织干扰，从而有效应对上述挑战。这种特性使MPI成为在深层组织环境中跟踪磁性微型机器人的理想工具。本研究提出了"TriMag"微型机器人：这是一种3D打印微型机器人，集成了三大磁性功能 —— 磁驱动、磁颗粒成像和磁热疗。TriMag微型机器人的制造采用了一种创新方法，该方法将用于3D打印生物相容性水凝胶结构的双光子光刻技术，与原位化学反应相结合，在水凝胶支架中嵌入两种纳米颗粒：用于实现良好MPI对比度的Fe₃O₄纳米颗粒，以及用于高效磁热加热的CoFe₂O₄纳米颗粒。这种方法能够规模化、高精度地制造螺旋形磁性水凝胶微型机器人。最终制备的TriMag微型机器人，借助Fe₃O₄和CoFe₂O₄纳米颗粒的协同作用，展现出以下性能：高效磁驱动能力，可实现受控运动；通过MPI实现精准成像，能在生物流体和器官（包括猪眼和小鼠胃）中进行成像与跟踪；具备磁热加热功能，可在小鼠模型中实现肿瘤消融。通过整合这些功能，该制造与成像方法为微型机器人的无创监测和操控提供了一个稳定平台，有望在医疗治疗和生物研究领域实现变革性应用。

研究创新点

制造方法创新：解决传统3D打印瓶颈

传统双光子光刻（TPP）制造磁性微型机器人时，需将纳米颗粒与树脂混合，易导致树脂透明度下降（影响激光聚合效率）和纳米颗粒团聚（降低性能均一性）。本研究改用“金属离子前驱体+原位反应”策略：将Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺离子与光敏水凝胶混合打印，打印后通过NH₄Cl/NaOH触发原位反应生成 Fe₃O₄和 CoFe₂O₄纳米颗粒，既保证树脂透明度（不影响TPP精度），又实现纳米颗粒均匀分布，同时支持规模化制造（如SEM显示螺旋阵列结构）。

功能集成创新：首次实现“驱动-成像-治疗”三重协同

现有磁性微型机器人多仅具备单一功能（如仅驱动或仅成像），本研究通过Fe₃O₄与CoFe₂O₄的协同设计，首次集成三大核心功能：Fe₃O₄负责MPI高对比度成像和磁驱动扭矩生成，CoFe₂O₄负责高效磁热疗，两者共同提升磁驱动稳定性，突破“功能割裂”局限。

成像技术创新：MPI突破深层组织跟踪难题

相比MRI（与磁驱动兼容差）、超声（分辨率低）、OCT（穿透深度仅数毫米），MPI通过检测超顺磁性纳米颗粒的磁化强度，可实现无生物组织干扰的深层成像（亚毫米分辨率）。本研究验证MPI可在猪眼玻璃体（眼科应用）、小鼠胃（消化道应用）中精准定位机器人，还能通过多视角成像判断机器人空间姿态，为闭环控制提供基础。

生物相容性与实用性创新：

采用可降解的PEG-DA/PETA水凝胶（在PBS、血清等体液中可缓慢降解），且溶血实验显示溶血率<5%，证明生物安全性；同时，机器人设计为螺旋结构（模仿大肠杆菌鞭毛运动），在低雷诺数环境（如体液）中可高效推进，且能通过调整磁场频率/振幅控制运动速度与方向（如50Hz时速度最优）。

实验验证表明：

该机器人可通过3轴亥姆霍兹线圈系统实现精准磁驱动（如单个机器人书写"MBOT"、群体协同运动）；借助MPI技术可在猪脑模拟体模、猪眼玻璃体、小鼠胃内实现深层组织（亚毫米分辨率）的实时跟踪；在小鼠肿瘤模型中，机器人可靶向到达肿瘤区域，通过交变磁场触发磁热疗（局部温度升至43℃），实现肿瘤消融且无明显副作用。该研究为微型机器人的无创监测与操控提供了一体化解决方案。

图1：TriMag微型机器人的制造与功能示意图

图1a：TPP制造流程示意图

左侧为双光子聚合（TPP）过程：以PEG-DA/PETA为光敏水凝胶，加入Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺离子前驱体，通过激光聚焦实现水凝胶3D固化；右侧为原位化学反应：打印后加入OH⁻（如NH₄Cl/NaOH），Fe²⁺/Fe³⁺与OH⁻反应生成Fe₃O₄（反应式：Fe²⁺+2Fe³⁺+8OH⁻→Fe₃O₄+4H₂O），Co²⁺/Fe³⁺与OH⁻反应生成CoFe₂O₄（反应式：Co²⁺+2Fe³⁺+8OH⁻→CoFe₂O₄+4H₂O），最终形成嵌入两种纳米颗粒的水凝胶机器人。

该流程解决传统TPP中纳米颗粒影响树脂透明度的问题，实现“打印-功能化”一体化。

图1b：三重磁功能示意图

清晰标注机器人的三大核心功能：①磁驱动（外部磁场控制机器人运动）；②MPI成像（MPI扫描仪检测Fe₃O₄的磁化信号，实现定位跟踪）；③磁热疗（交变磁场触发CoFe₂O₄产热，用于肿瘤消融）。三者通过两种纳米颗粒协同实现，无功能冲突。

图1c：SEM图像（螺旋结构与阵列）

包含两个视角：上方为单个螺旋形机器人的俯视图与倾斜视图（标尺10μm），下方为机器人阵列（标尺100μm）。图像显示水凝胶结构表面光滑、尺寸均一（螺旋长度约100μm，适合体内应用），证明TPP技术的高精度与规模化制造能力（阵列无明显结构缺陷）。

图2：TriMag微型机器人的形态与元素分析

图2a：原位反应可视化实验

展示块状PEG-DA/PETA水凝胶纤维在加入10%NaOH后，颜色从透明逐渐变为“铁色”（时间点：0→1→5→25→30min，标尺1cm），直观证明Fe/Co离子与OH⁻发生反应生成磁性纳米颗粒；右侧磁铁吸附实验进一步验证水凝胶具备磁性（反应后可被磁铁吸引）。

图2b：纳米颗粒嵌入水凝胶的示意图

简化展示水凝胶的多孔网络结构，Fe₃O₄和CoFe₂O₄纳米颗粒既附着于水凝胶表面，又包裹在网络内部，解释机器人磁性功能的结构基础。

图2c：块状水凝胶的SEM图像

标尺分别为100μm（左）和20μm（右），显示水凝胶内部为多孔结构（孔径适合纳米颗粒嵌入），且纳米颗粒在孔壁与表面均匀分布（无明显团聚），证明原位反应可实现纳米颗粒的分散性控制。

图2d：螺旋机器人的结构示意图

标注机器人表面分布的Fe₃O₄（红色）与CoFe₂O₄（蓝色）纳米颗粒，明确两种颗粒的协同作用区域。

图2e-f：机器人表面的SEM与EDX映射图

SEM图像（标尺50μm）显示机器人表面粗糙（因纳米颗粒附着）；EDX映射图分别标注C、O、Fe、Co元素的分布，证明Fe和Co在机器人表面均匀覆盖（无局部富集），验证原位反应的均匀性。

图2g：EDX元素定量分析图

柱状图显示Fe和Co的特征峰强度，进一步确认两种元素的存在及比例（与前驱体离子浓度匹配），排除杂质干扰。

图3：TriMag微型机器人的磁驱动系统与性能

图3a：磁驱动系统示意图

展示3轴亥姆霍兹线圈（提供旋转磁场）、液体容器（模拟体内环境）、物镜（成像跟踪），构成“驱动-观测”一体化系统；标注机器人在液体中受磁场作用旋转并推进，解释驱动系统的工作逻辑。

图3b：机器人的数值模型

建立螺旋形机器人的几何模型（长度100μm，螺旋角45°），用于后续流体动力学（CFD）模拟。

图3c：CFD模拟结果（50Hz驱动频率）

时间序列（0→0.04→0.08→0.13→0.17→0.21s）显示机器人在液体中的运动轨迹，模拟结果符合低雷诺数环境下的层流特性（体液环境类似），证明螺旋结构可将旋转运动转化为直线推进（模仿细菌鞭毛）。

图3d：螺旋角与失准角的关系图

横坐标为螺旋角（°），纵坐标为失准角（磁化方向与机器人轴线的夹角）。结果显示：当螺旋角为45°时，失准角最小（接近0），说明该角度可减少磁场与机器人的方向偏差，最大化推进效率，为机器人结构设计提供优化依据。

图3e：频率-速度关系图

对比三种机器人（仅Fe₃O₄、仅CoFe₂O₄、Fe₃O₄+CoFe₂O₄）在不同磁场频率下的运动速度（单位：体长/秒）。结果显示：Fe₃O₄+CoFe₂O₄组速度最快（50Hz时约1.7体长/秒），仅CoFe₂O₄组速度最慢（因饱和磁化强度低），证明两种纳米颗粒协同可提升驱动性能。

图3f：驱动过程快照

光学显微镜图像（标尺50μm）捕捉机器人在液体中的螺旋推进过程，可见机器人尾部旋转产生推进力，与CFD模拟结果一致，验证驱动原理的可行性。

图3g：轨迹控制实验结果

左侧为单个机器人书写"MBOT"的轨迹（标尺200μm），右侧为3个机器人的群体协同运动轨迹，证明机器人可通过调整磁场参数（频率、振幅、方向）实现精准的个体与群体控制，为靶向递送提供基础。

图4：TriMag微型机器人的MPI表征

图4a：MPI系统原理示意图

展示MPI的核心组件：选择场线圈（产生无场线）、驱动场线圈（施加交变磁场）、接收线圈（检测纳米颗粒的磁化信号）。当无场线扫过机器人时，Fe₃O₄的磁化强度变化会在接收线圈中产生电压信号，进而生成图像，解释MPI无背景干扰的原理。

图4b：不同材料的磁滞回线

对比四种材料（纯水凝胶、Fe₃O₄水凝胶、CoFe₂O₄水凝胶、Fe₃O₄+CoFe₂O₄水凝胶）在室温下的磁滞回线（横坐标：磁场强度Oe，纵坐标：磁化强度）。结果显示：Fe₃O₄+CoFe₂O₄组具有超顺磁性（回线接近闭合，剩磁低），且在零点附近磁susceptibility高（适合MPI成像）；同时，其磁滞回线的“小圆环”表明bulk各向异性常数大，磁热疗性能优于纯Fe₃O₄，验证两种纳米颗粒的协同优势。

图4c：MPI成像实验装置

将四种材料制成1mm直径的球形水凝胶，固定在35mm培养皿中（标尺10mm），通过MPI扫描仪成像，直观对比不同材料的MPI信号强度。

图4d：MPI信号强度定量图

横坐标为材料类型（纯凝胶、CoFe₂O₄、Fe₃O₄、Fe₃O₄+CoFe₂O₄、商用Fe₃O₄试剂VivoTrax），纵坐标为信号强度。结果显示：Fe₃O₄组、Fe₃O₄+CoFe₂O₄组与VivoTrax信号强度接近（显著高于CoFe₂O₄组和纯凝胶），证明Fe₃O₄是MPI成像的核心贡献者，且CoFe₂O₄的加入不影响MPI信号。

图4e：MPI灵敏度统计分析

柱状图（样本量n=3，误差线为均值±SD）进一步验证图4d的结果，显示Fe₃O₄+CoFe₂O₄组的灵敏度与Fe₃O₄组无显著差异（p>0.05），排除CoFe₂O₄对MPI性能的干扰。

图4f：单个机器人的多视角MPI成像

展示机器人在（1,0,0）、（1,1,0）、（1,1,1）三个视角下的MPI图像（标尺500μm）：（1,1,0）面信号最强（对应机器人的圆柱纵截面），（1,0,0）面为模糊圆点，（1,1,1）面可见“磁化头部+螺旋尾部”。结果证明MPI可识别机器人的空间姿态，为闭环控制提供方向反馈。

图4g：MPI分辨率验证实验

两个机器人在径向逐渐靠近（距离：1.535→0.781→0.243mm），MPI图像显示：当距离≥0.243mm时，可区分两个机器人；<0.243mm时图像融合。该结果证明MPI的空间分辨率可达亚毫米级，且机器人间的磁相互作用不影响成像准确性，为群体机器人跟踪提供依据。

图5：生物组织中的MPI成像验证

图5a：体内约束环境中机器人运动的示意图

简化展示机器人在血管、器官等复杂体内环境中的运动，突出MPI在“无组织干扰”下的跟踪优势。

图5b：猪脑组织模拟体模实验装置

构建填充新鲜猪脑组织的血管模拟体模（标尺10mm），用于模拟深层组织环境；机器人通过交变磁场+强磁梯度驱动，验证其在致密组织中的运动能力。

图5c：机器人在体模中的7个位置成像

时间序列MPI图像显示机器人在体模内的运动轨迹（7个标记点），证明机器人可在猪脑组织中推进，且MPI可清晰定位。

图5d：MPI信号强度与位置的关系图

横坐标为体模内位置（mm），纵坐标为MPI信号强度。峰值对应机器人的质心位置，与图5c的标记点一一对应，验证MPI定位的准确性。

图5e：猪眼玻璃体中机器人驱动的示意图

标注猪眼的解剖结构（玻璃体、视网膜、脉络膜、巩膜），机器人通过玻璃体注射进入，目标是向眼底（治疗糖尿病视网膜病变等疾病的关键区域）推进。

图5f：猪眼内机器人的CT-MPI融合成像

时间序列（0→10→20→30min）显示机器人从眼壁附近向眼底迁移的轨迹（标尺5mm），CT提供眼部解剖背景，MPI精准标记机器人位置，证明机器人可在玻璃体中精准驱动，为眼科微创治疗提供可能。

图5g：小鼠胃内机器人实验的示意图

机器人通过口服灌胃进入小鼠胃，借助10%硫酸钡（BaSO₄）+0.5%甘露醇作为CT造影剂，实现CT（显示胃解剖）与MPI（显示机器人）的融合成像。

图5h：小鼠胃内机器人的"C"形轨迹

CT-MPI融合图像（标尺10mm）显示机器人在胃内沿"C"形轨迹运动（模拟临床胃部干预路径），证明机器人可在活体器官内实现可控运动，且MPI可实时跟踪。

图6：TriMag微型机器人的磁热疗实验

图6a：磁热疗实验装置示意图

展示定制磁热发生器（产生150-300kHz交变磁场）、水凝胶样本、光纤温度传感器（TS2-02），用于测量不同材料的产热效率（标尺15mm）。

图6b-c：不同频率下的温度变化曲线

横坐标为时间（min），纵坐标为温度（℃），对比三种材料（Fe₃O₄、CoFe₂O₄、Fe₃O₄+CoFe₂O₄）在150kHz（图6b）和300kHz（图6c）交变磁场下的升温过程。结果显示：Fe₃O₄+CoFe₂O₄组升温最快，150kHz下10min内可达41℃（肿瘤消融的阈值温度），且300kHz下升温速率进一步提升，证明两种纳米颗粒协同可增强磁热疗效率。

图6d：肿瘤消融的机器人设计示意图

机器人经肿瘤周围注射后，通过旋转磁场（2Hz）驱动至肿瘤基质，再施加150kHz交变磁场触发局部产热，实现肿瘤消融（避免损伤周围健康组织）。

图6e-f：小鼠肿瘤内机器人的2D/3D CT-MPI成像

图6e（2D，标尺10mm）显示机器人30min内从注射点迁移至肿瘤边缘（每10min跟踪一次）；图6f（3D）清晰标注机器人与肿瘤的空间位置关系，证明机器人可精准到达肿瘤区域。

图6g：磁热疗过程的热成像图

时间序列（0→5→10→15min）热成像显示肿瘤区域温度从35.6℃升至43℃（标尺15mm），43℃是有效肿瘤消融温度（低于健康组织损伤阈值45℃），且温度分布集中（无明显扩散），证明磁热疗的靶向性。

图6h：IVIS荧光成像评估肿瘤疗效

对luc2标记的4T1乳腺癌小鼠模型，在治疗后0-4天进行IVIS荧光成像（标尺15mm）：未治疗组（PBS注射）和仅机器人注射组的肿瘤荧光信号无下降，而磁热疗组信号显著减弱，证明肿瘤组织被有效消融。

图6i：活体肿瘤治疗workflow

流程为：①7天前接种肿瘤细胞（1×10⁶个4T1细胞）；②机器人经肿瘤周围注射；③磁场驱动机器人至肿瘤位置；④交变磁场触发磁热疗；⑤4天内监测体重、肿瘤体积、荧光强度。结果显示：治疗组小鼠体重稳定（无毒性），肿瘤体积显著缩小，验证治疗的安全性与有效性。

针对微型机器人在生物医学临床转化中“规模化高精度制造难”和“深层组织无创成像跟踪难”的痛点，该团队提出“双光子光刻（TPP）3D打印+原位化学反应”的创新方案，以PEG-DA/PETA生物相容性水凝胶为支架，原位嵌入Fe₃O₄（保障MPI成像对比度与磁驱动）和CoFe₂O₄（强化磁热疗）纳米颗粒，制备出集成磁驱动、MPI成像、磁热疗三重功能的TriMag微型机器人；实验验证其可通过3轴亥姆霍兹线圈精准驱动，借助MPI实现猪眼、小鼠胃等深层环境跟踪，并在小鼠肿瘤模型中靶向消融肿瘤且生物安全性良好，为微型机器人临床转化提供一体化平台。

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文章来源：L. Xing, Y. Cai, Y. Zhang, et al. “ TriMag Microrobots: 3D-Printed Microrobots for Magnetic Actuation, Imaging, and Hyperthermia.” Adv. Mater. (2025): e19708. https://doi.org/10.1002/adma.202419708

文章网址：TriMag Microrobots: 3D‐Printed Microrobots for Magnetic Actuation, Imaging, and Hyperthermia - Xing - Advanced Materials - Wiley Online Library

DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202419708