理工學(xué)院俞江帆教授團(tuán)隊(duì)在Science子刊Science Advances上發(fā)表文章
近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院俞江帆教授團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)介
Science Advances是美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAAS）的多學(xué)科期刊，是Science子刊。在幾乎所有科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表有世界級(jí)影響力的研究論文和評(píng)論。Science Advances通過(guò)擴(kuò)展Science雜志的能力來(lái)至此AAAS的使命，以識(shí)別和促進(jìn)科學(xué)和工程在廣泛領(lǐng)域的重大進(jìn)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(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAAS）的多學(xué)科期刊，是Science子刊。在幾乎所有科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表有世界級(jí)影響力的研究論文和評(píng)論。Science Advances通過(guò)擴(kuò)展Science雜志的能力來(lái)至此AAAS的使命，以識(shí)別和促進(jìn)科學(xué)和工程在廣泛領(lǐng)域的重大進(jìn)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(jī)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(xì)血管直徑的微米磁性顆粒，并且該顆粒通過(guò)表面功能化載有凝血酶作為栓塞介質(zhì)，以促進(jìn)血栓的形成。為了精準(zhǔn)的控制栓塞范圍以達(dá)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(dú)特的集群驅(qū)動(dòng)方法，能夠維持在指定區(qū)域內(nèi)的微米機(jī)器人集群的完整性，指定區(qū)域外部則無(wú)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(jī)器人集群的選擇性區(qū)域栓塞策略和在流動(dòng)環(huán)境下的集群完整性分析
在流動(dòng)環(huán)境中，微米機(jī)器人集群受到流體的影響，導(dǎo)致集群容易在血管分支處瓦解。作者針對(duì)此情況推出了一個(gè)分析模型，描述了流體粘度、流速、分支角、磁場(chǎng)強(qiáng)度和集群完整性之間的關(guān)系（圖1B），并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)可以通過(guò)調(diào)控磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制磁性微米機(jī)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(dòng)和血管分支環(huán)境下的完整性（圖1B），并推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖2）。
圖2?在流動(dòng)環(huán)境下微米機(jī)器人集群完整性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定域栓塞，作者基于已得到的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)有效的磁性微米機(jī)器人集群的驅(qū)動(dòng)方式（圖3）。此驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)控制線(xiàn)圈系統(tǒng)中電流的搭配和時(shí)間分布（圖3A），從而在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)（圖3A的黑圈）生成強(qiáng)磁場(chǎng)維持集群的完整性，反之在指定區(qū)域外，磁場(chǎng)不足以維持集群穩(wěn)定，集群會(huì)被流體瓦解（圖3C，D）。
圖3?在流動(dòng)條件下保持目標(biāo)區(qū)域內(nèi)集群完整性的驅(qū)動(dòng)策略和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
作者結(jié)合該驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(chǎng)；（二）凝血酶修飾磁性顆粒、施加均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；（三）凝血酶修飾磁性顆粒、上述所提出的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示僅有方法三可以達(dá)成目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的微流道閉塞，方法（一）和（二）都導(dǎo)致了指定區(qū)域以外的微流道閉塞（圖4E）。電鏡圖顯示導(dǎo)致閉塞的凝塊由微米顆粒集群、血紅細(xì)胞和纖維蛋白組成（圖4B）。
圖4?微流道栓塞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
作者接著在離體豬大網(wǎng)膜和體內(nèi)豬腎臟驗(yàn)證了微米機(jī)器人集群進(jìn)行局部栓塞的有效性（圖5）。離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示僅在目標(biāo)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(dòng)（圖5C）。豬活體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：使用凝血酶溶液會(huì)導(dǎo)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(méi)有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的環(huán)境下沒(méi)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(dòng)方式下，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖C的黑圈和圖E的黃圈表示實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的栓塞區(qū)域。被阻斷的血管因沒(méi)有造影劑通過(guò)在血管造影DSA檢查下不顯現(xiàn)
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04 研究結(jié)論
本文研發(fā)了一種微米機(jī)器人集群的驅(qū)動(dòng)策略，從而實(shí)現(xiàn)了高選擇性定域栓塞。本文中所提出的、基于微米機(jī)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(dòng)的、非選擇性栓塞技術(shù)引起的并發(fā)癥。
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05 作者簡(jiǎn)介
本文共同通訊作者為香港中文大學(xué)（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(xué)（深圳）助理教授、香港中文大學(xué)（深圳）校長(zhǎng)青年學(xué)者、深圳市人工智能與機(jī)器人研究院（AIRS）院級(jí)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。他入選了2021年國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目（海外），并擔(dān)任中國(guó)微納技術(shù)學(xué)會(huì)微納米機(jī)器人分會(huì)理事。俞教授在2018年獲得香港中文大學(xué)博士學(xué)位，先后在香港中文大學(xué)（2018-2019）和多倫多大學(xué)（2019-2020）作為博士后進(jìn)行研究工作。
俞教授的研究主要集中在微納米機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，包括其材料設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)理論建模、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制、及對(duì)口生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。俞教授至今發(fā)表了超過(guò)35篇頂級(jí)期刊及會(huì)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(guó)際機(jī)構(gòu)報(bào)導(dǎo)。俞教授獲得了多個(gè)有影響力的獎(jiǎng)項(xiàng)，包括吳文俊人工智能科技獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（2022）、百度全球華人AI青年學(xué)者（2022）、福布斯30 under 30（2021）、Nature Communications評(píng)選的物理學(xué)50強(qiáng)文章（2018）、T-Mech最佳論文獎(jiǎng)入圍（2019）、香港青年科學(xué)家入圍獎(jiǎng)（2018）等。他擔(dān)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(gè)頂級(jí)期刊和會(huì)議的審稿人。
俞教授的課題組為隸屬于屬于香港中??學(xué)（深圳）理?學(xué)院的智能微納機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)多學(xué)科高度交融的平臺(tái)，不僅需要研究材料科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)，更關(guān)注并致力于研究小尺度機(jī)器人學(xué)、AI策略框架、控制理論和生物醫(yī)療等應(yīng)用科學(xué)。實(shí)驗(yàn)室將研發(fā)具有創(chuàng)新材料、不同結(jié)構(gòu)、優(yōu)化組裝模式、新型集群行為和多樣功能性的微納米機(jī)器人，推進(jìn)其在藥物遞送、癌癥治療、疾病診斷和微納尺度物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室致力于研發(fā)具有世界尖端水平的微納米機(jī)器人，并解決和人類(lèi)生活、健康息息相關(guān)的真正問(wèn)題。
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本文第一作者為香港中文大學(xué)（深圳）訪(fǎng)問(wèn)博士生劉俊輝
劉俊輝，本科畢業(yè)于香港城市大學(xué)，現(xiàn)于多倫多大學(xué)孫鈺教授團(tuán)隊(duì)攻讀博士學(xué)位。2021年起，作為訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生在香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院俞江帆教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行全職研究。主要研究方向?yàn)槲⒓{米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作機(jī)理、驅(qū)動(dòng)模式以及基于微納米機(jī)器人的生物醫(yī)療技術(shù)。
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文章轉(zhuǎn)自理工學(xué)院微信公眾平臺(tái)，鏈接為https://mp.weixin.qq.com/s/9VRz_CtzK8dxF5B9PTRYSQ
