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为解决肺部药物靶向递送难题，研究人员开发磁控微凝胶粒子群，实现支气管内精准递送，助力肺部疾病治疗。
肺部药物递送的困境与挑战
在肺部疾病的治疗中，药物递送方式至关重要。系统性给药，如口服和静脉注射，会使药物经血液循环到达病变部位，但非靶向药物积累会导致难以控制的毒性。吸入给药虽能使药物到达肺部，却会因气流被动运输而无选择性地分布，影响健康组织。支气管镜局部给药时，传统支气管镜在曲折狭窄的支气管内运动灵活性有限，难以将药物精确部署到目标病变部位。因此，实现肺部药物的精准局部递送迫在眉睫。
研究团队与研究突破
为解决这些问题，国内研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。研究人员开发了由磁性水凝胶微粒组成的微机器人群体（微凝胶粒子群），旨在实现支气管内的靶向递送。这一研究成果为肺部靶向药物递送提供了新方法，展现出治疗肺部疾病的巨大潜力。
关键技术方法
研究人员采用了多种关键技术。在粒子制备方面，通过在 NdFeB 微粒表面包覆二氧化硅，再利用挤出 - 滴注法合成磁性微凝胶粒子。实验中，使用圆柱形永磁体配合电机驱动粒子运动，并通过定制程序和机器人手臂控制磁场。利用多种成像技术，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计等对粒子进行表征。在体内外实验中，借助 X 射线荧光透视和计算机断层扫描（CT）成像技术来跟踪微凝胶粒子群的运动轨迹。
研究结果
- 微凝胶粒子的特性与表征：微凝胶粒子由水凝胶和磁性微粒组成，平均直径约 650μm。其含铁和硅元素，具有一定的磁性，剩磁为 21.04emu/g，矫顽力为 8.3kOe。在磁场驱动下，粒子能线性运动，速度随磁体速度增加而增加，且磁体的旋转运动对粒子推进至关重要。粒子在碱性环境中会膨胀降解，释放封装药物，在不同 pH 值环境下，药物释放模式不同，包括快速释放和持续释放，可按需释放药物。
- 微凝胶粒子群的可控运动：施加旋转磁场可使微凝胶粒子聚集形成微机器人群。形成的平面群能在外部旋转磁体驱动下向前运动，群速度与磁体速度在一定范围内呈线性关系。粒子群在不同环境中展现出良好的适应性和运动灵活性，如能在倾斜斜坡、波浪形表面攀爬，还能在类似支气管环境的带孔管中沿壁攀爬以避免进入孔中。
- 微凝胶粒子群的自适应重构：粒子群能响应外部磁场进行结构重构，从平面结构转变为柱状结构。通过调整磁场振荡角度，可调节粒子群的覆盖面积和高度，不同结构的粒子群对药物释放速率有影响，表面积大的粒子群药物释放速率更高。柱状结构的粒子群在保持导航运动能力的同时，可通过结构变化适应狭窄空间，减少粒子损失。
- 粒子群的体外和体内实验验证：在体外人体支气管树模型中，粒子群能通过直接提升和攀爬运动到达倾斜的三级支气管。微凝胶粒子具有良好的生物相容性，与胃上皮（GES - 1）细胞和小鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）共培养后，细胞活力不受影响。在离体猪肺实验中，借助 X 射线荧光透视实现了粒子群的图像引导导航，粒子群能避免进入非目标分支并到达倾斜分支。在体内猪肺实验中，利用 CT 扫描重建支气管树结构，实现了粒子群在体内的导航和精确递送，成功将封装的荧光染料递送至目标部位，验证了靶向递送的有效性，且微凝胶粒子安全性良好。
研究结论与意义
该研究开发的磁性微凝胶粒子群具有高运动灵活性和环境适应性，实现了在非结构化支气管树中的导航和靶向递送。通过多模态运动和结构重构，粒子群能在复杂环境中到达目标部位。成像技术的应用使粒子群在体内外的运动得以实时跟踪。这一研究不仅加深了对微机器人群体在非流体环境中行为的理解，还为肺部靶向递送提供了新的方法，有望用于治疗多种肺部疾病。不过，在迈向临床疾病治疗前，还需确定目标疾病和合适的治疗药物，考虑药物释放模式，增强微凝胶粒子的生物粘附性，并进一步研究材料的长期生物安全性和粒子回收策略。但总体而言，这项研究为肺部疾病的治疗开辟了新的道路，具有重要的科学意义和临床应用前景。
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