胃肠道中的微型机器人:技术与应用
1. 引言
机器人的设计和制造旨在将人类从繁重复杂的工作中解放出来。微型/纳米机器人作为能够获取能量进行推进的合成设备,致力于完成宏观尺度机器人无法完成的任务。自2002年首个自推进毫米级平板被报道以来,微型机器人在多个领域取得了创新性应用,如辅助受精、水修复、逆血流靶向药物递送以及在胃肠道中的多种应用。其中,体内成像、靶向药物递送和靶向治疗等应用尤为吸引人,因为微型/纳米机器人的自主运动相较于传统方法具有无可比拟的优势,能够以更少的剂量更准确、高效地完成任务。
然而,微型机器人在生物医学应用中仍面临诸多挑战,其中最大的挑战是在复杂介质中的推进。微型机器人的推进方式主要有两种:
- 自推进 :需要生物相容性的燃料源。
- 外部推进 :需要能够产生外部场的大型复杂设备来实现体内推进。
此外,微型机器人还需具备货物装载、在复杂生物流体中导航以及生物相容性等能力。对于注入血管的微型/纳米机器人,它们需要在高流速环境中产生强大的推进力并在狭窄血管中导航;而对于通过口服进入人体的微型机器人,虽然流体动力学环境相对温和,但要在胃肠道中保持移动和活性却面临新的困难,因为胃肠道是体内化学环境最恶劣的区域之一。
2. 胃肠道环境特点与微型机器人推进机制
2.1 胃肠道环境特点
食物经咀嚼吞咽后,通过食管进入胃,在胃中与酸性消化液和酶混合,分解成小分子。营养物质在小肠壁被吸收,剩余废物通过大肠排出体外。胃内胃酸环境下pH值在1 - 3之间,而肠道内pH值在6 - 7之间。在这种具有多种离子的酸性环境中,基
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