该研究由 Qinglong Wang、Qianqian Wang、Zhipeng Ning、Kai Fung Chan、Jialin Jiang 等学者合作完成,相关成果以《Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery》为题发表在《Science Robotics》期刊。
重要发现
01LSCI成像机制与微集群行为量化
微集群由磁性纳米粒子在旋转磁场下自组装形成。
其核心突破在于:
LSCI通过捕捉红细胞(RBCs)运动引起的散斑对比变化,间接可视化微集群。当微集群旋转时,其诱导的流体扰动改变RBCs运动轨迹,进而影响散斑强度标准差(σ)与均值(〈I〉)的比值(即散斑对比度K),最终转化为PU值(PU=1/K²)。
关键实验:
PU量化调控:输入频率从1Hz升至7Hz时,PU值从40增至115,证明微集群可通过频率调节局部血流动力学。
穿透深度优势:在3.5mm血深下仍可成像,优于传统光学成像(<1mm)。
LSCI以毫秒级延迟提供全视野成像:
静态血液:微集群成像面积随纳米粒子剂量增加而扩大(20μg→200μg时面积扩大2倍)。
流动血液:通过调整磁场角度(45°-75°)优化成像对比度,实现上下游双向运动。
递送效率:在55mm/s流速下,下游递送率达61.7%,上游达60%,为血栓靶向治疗奠定基础。
创新与亮点
01突破难题:成像技术瓶颈
传统成像面临三重矛盾:高分辨率(超声)但穿透浅、深穿透(MRI)但延迟高、无辐射但视野窄(荧光)。
本研究通过LSCI融合三大优势:
全视野实时成像:42mm×42mm视野,毫秒级反馈速度;
无创无标记:无需纳米粒子修饰,直接利用血液动力学信号;
深度适用性:支持3.5mm血深及组织穿透。
总结与展望
本研究开创性地将LSCI技术与磁性微集群结合,实现了血管内微机器人的实时追踪与精准递送。其核心价值在于突破传统成像限制,通过血流动力学量化(PU分析)与环境自适应控制,为血栓清除、肿瘤治疗等血管介入场景提供了无辐射、高分辨率的新工具。未来工作需进一步优化深血管成像(如颅内动脉)及大型动物模型适配,推动微纳机器人向临床转化。随着激光探头与机器人控制的集成,LSCI有望成为血管内精准医疗的"导航仪",重塑药物递送技术格局。
DOI:10.1126/scirobotics.adh1978.