磁控膠囊機器人，實現精準診療“看得見 + 遞得準”

胃腸道炎癥、潰瘍、出血、感染乃至腫瘤等疾病臨床高發，給患者和社會帶來沉重的疾病負擔。傳統胃腸鏡雖具備良好的可視化與操作能力，但由于需要經自然腔道插入，嚴重影響了患者體驗與依從性；膠囊內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——發現病灶后，往往仍需進一步內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：它能在腔道內被精準操控，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。

廣東工業大學隋建波/中山大學蔣樂倫團隊聯合開發出一款新型磁控膠囊機器人MARCE，實現了將“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。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”

MARCE 的系統思路可以概括為三段式鏈路：外部電磁驅動系統（EMA）作為驅動單元，為膠囊提供可控的運動與姿態調整能力，使其能夠在腸道環境中主動接近并對準目標區域；膠囊前端的微型攝像頭提供連續的在位成像反饋，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，磁控運動與姿態控制解決“到達與對準”，在位成像提供閉環反饋，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遞送需求。

圖1呈現了 MARCE 的整體工作方式：在外部電磁系統提供操控能力下，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。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：實現可控運動與姿態調整

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

圖3. EMA系統與磁控運動展示。

• 治療模塊：保護結構、觸發機制與遞送鏈條

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變化，通過響應過程與熱安全評估的測試思路驗證觸發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：操作者依據膠囊內相機的實時畫面進行操控，在更接近真實組織環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）”串成閉環流程，為后續在體驗證、復雜病灶模型及更高層級閉環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“可視化引導下的靶向局部遞送”。該系統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主動導航并精確對準目標區域；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，實現按需的靶向遞送。離體驗證表明，該平臺能夠完成穩定的貼附、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、集成化的腔內精準給藥與微創治療設備奠定了平臺基礎。

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

歡迎各位專家學者提供稿件（微納3D打印相關研究成果、前沿技術、學術交流）。投稿郵箱：bmf@bmftec.cn。

該文章發布的目的在于傳遞更多信息，如涉及作品內容、版權或其它問題，請與我司聯系，我們將在第一時間刪除內容！

最受關注文章TOP 5

• 可注射超聲傳感器用于顱內生理信號監測