DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44995-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38245517
تاريخ النشر: 2024-01-20
المؤلف: Ziheng Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
تظهر الروبوتات اللينة المغناطيسية إمكانيات كبيرة للتطبيقات الطبية الحيوية بسبب قدرتها الملحوظة على إعادة تشكيل الشكل، ومرونتها في الحركة، ووظائفها المتعددة في البيئات الفسيولوجية. يعزز تطوير الهياكل متعددة الطبقات سعتها التحميلية وتعقيدها الوظيفي، خاصة للتوصيل المستهدف. ومع ذلك، فإن التفاعلات بين هذه الكيانات اللينة لا تزال غير مستكشفة بشكل كاف، مما يعقد تجميع الروبوتات اللينة المغناطيسية ذات قدرات الحركة عند الطلب. يقوم هذا البحث بنمذجة وتحسين التفاعلات المغناطيسية بين طبقات تشبه الأفلام اللينة ذات الهياكل المختلفة في المستوى، مما يؤدي إلى روبوتات لينة متعددة الطبقات قادرة على الحركات السريعة والالتصاق المستهدف.
تتكون كل طبقة من الروبوت المطور من ركيزة مغناطيسية لينة وفيلم لاصق، مع توصيف منهجي للخصائص الميكانيكية وأداء الالتصاق لهذه الأفلام. يمكن للروبوتات أداء وضعين للحركة—الحركة الانتقالية والحركة المتدحرجة—بالإضافة إلى الفصل عند الطلب عندما يلتصق أحد جوانب الطبقة بالأنسجة. تتماشى نتائج المحاكاة نوعيًا مع النتائج التجريبية، مما يوضح جدوى الروبوت للالتصاق المتعدد الأهداف في المعدة من خلال تجارب خارج الجسم وداخل الجسم. تؤكد النتائج على وعد الروبوتات اللينة المغناطيسية في التطبيقات الطبية الحيوية، مما يبرز قدرتها على البرمجة مغناطيسيًا لأساليب حركة متنوعة وفائدتها في الإجراءات الأقل توغلاً وتوصيل الأدوية المستهدف عبر بيئات بيولوجية مختلفة.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في التجارب خارج الجسم وداخل الجسم، مع التركيز على التشغيل التعاوني لمشغلين لتحقيق الالتصاق المتعدد الأهداف لنظام روبوتي. يستخدم المشغل 1 محول صوتي لتحديد موقع الروبوت بدقة، بينما يستخدم المشغل 2 مغناطيسًا أسطوانيًا للتلاعب بموقع الروبوت. يعمل المشغلون بتناغم لتوجيه الروبوت نحو الهدف I، حيث يتم تطبيق فيلم لاصق لتأسيس الالتصاق مع الأنسجة من خلال الجذب المغناطيسي.
بمجرد تشكيل الالتصاق بنجاح، يقوم المشغل 2 بعكس المغناطيس لفصل الروبوت من النوع II عن طبقة الأنسجة الملتصقة. يتم تطبيق هذه الإجراءات المنهجية بشكل متسق لتغطية أهداف إضافية، II و III، مما يضمن نهجًا منهجيًا لعملية الالتصاق المتعدد الأهداف. تبرز الطرق الموضحة الجهود المنسقة المطلوبة للتلاعب الفعال بالروبوت والالتصاق في كلا الإعدادين التجريبيين.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج التابعة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا يدعم الفرضية الأولية، مع تأثيرات ملحوظة تم قياسها من خلال مقاييس مناسبة.
علاوة على ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، توضح العلاقات والاتجاهات المحددة. تعزز هذه الوسائل البصرية من فهم النتائج، مما يسمح بفهم أكثر حدسية للأنماط الأساسية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في الأقسام السابقة من الورقة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصميم روبوت لينة متعدد الطبقات مغناطيسي لتحقيق الالتصاق عند الطلب مع الأنسجة المعدية، مستهدفًا بشكل خاص القرحة. يتكون الروبوت من ثلاث طبقات: طبقة مركزية تحتوي على قاعدة مغناطيسية وإطار غير مغناطيسي، وطبقتين جانبيتين تحتويان على إطار مغناطيسي وقاعدة غير مغناطيسية. يسمح هذا التكوين بتجميع مستقر من خلال الجذب المغناطيسي بين الطبقات بينما يسهل الالتصاق بالأنسجة الرطبة عبر فيلم لاصق قائم على الكاربوبول. يتم تحسين أداء الفيلم اللاصق من خلال اختبارات ميكانيكية متنوعة، مما يكشف أن نسبة الوزن 1:2 (كاربوبول إلى خليط HPMC-Poloxamer) تحقق أقصى قوة التصاق وقوة تماسك بين السطحين، بقيم تبلغ 7.10 كيلو باسكال و29.44 جول/م²، على التوالي.
تشمل عملية تشغيل الروبوت الحركة الانتقالية وآليات التقليب، المدفوعة بواسطة مجالات مغناطيسية خارجية، مما يمكّنه من التنقل والالتصاق بمواقع القرحة المتعددة بشكل متتابع. تظهر النتائج التجريبية نجاح الالتصاق المتعدد الأهداف في نماذج معدة خنزير خارج الجسم وداخل الجسم، مما يبرز قدرة الروبوت على تغطية والالتصاق بعدة قرحات بشكل فعال. تسلط الدراسة الضوء على مبادئ تصميم الروبوت، بما في ذلك التفاعلات بين الطبقات المخصصة وخصائص الالتصاق المحسّنة، والتي تعزز مجتمعة أدائه في بيئة معدية ديناميكية. يقدم هذا النهج المبتكر إمكانيات كبيرة للتطبيقات العلاجية المستهدفة في الطب الهضمي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44995-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38245517
Publication Date: 2024-01-20
Author(s): Ziheng Chen et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
Magnetic soft robots exhibit significant potential for biomedical applications due to their remarkable shape reconfigurability, agility in motion, and multifunctionality in physiological environments. The development of multilayer structures enhances their loading capacity and functional complexity, particularly for targeted delivery. However, the interactions between these soft entities remain inadequately explored, complicating the assembly of magnetic soft robots with on-demand motion capabilities. This study models and optimizes the magnetic interactions between soft film-like layers with distinct in-plane structures, resulting in multilayer soft robots capable of agile motions and targeted adhesion.
Each layer of the developed robot comprises a soft magnetic substrate and an adhesive film, with systematic characterization of the mechanical properties and adhesion performance of these films. The robots can perform two locomotion modes—translational and tumbling motion—alongside on-demand separation when one side layer adheres to tissues. Simulation results align qualitatively with experimental findings, demonstrating the robot’s feasibility for multi-target adhesion in the stomach through both ex-vivo and in-vivo experiments. The findings underscore the promise of magnetic soft robots in biomedical applications, highlighting their ability to be magnetically programmed for diverse locomotion modes and their utility in minimally invasive procedures and targeted drug delivery across various biological environments.
Methods
In this section, the methods employed for ex-vivo and in-vivo experiments are detailed, focusing on the collaborative operation of two operators to achieve multi-target adhesion of a robotic system. Operator 1 utilizes an ultrasound transducer to accurately locate the robot, while Operator 2 employs a cylindrical magnet to manipulate the robot’s position. The operators work in synchrony to guide the robot towards target I, where an adhesive film is applied to establish adhesion with the tissue through magnetic attraction.
Once the adhesion is successfully formed, Operator 2 reverses the magnet to detach the Type II robot from the adhered tissue layer. This systematic procedure is consistently applied to cover additional targets, II and III, ensuring a methodical approach to the multi-target adhesion process. The outlined methods highlight the coordinated efforts required for effective robotic manipulation and adhesion in both experimental settings.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variable and the dependent outcomes, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the results demonstrate a clear trend that supports the initial hypothesis, with observed effects quantified through appropriate metrics.
Furthermore, the section includes graphical representations of the data, illustrating the relationships and trends identified. These visual aids enhance the understanding of the results, allowing for a more intuitive grasp of the underlying patterns. Overall, the findings contribute valuable insights into the research question, reinforcing the theoretical framework established in the earlier sections of the paper.
Discussion
In this study, a magnetic multi-layer soft robot is designed to achieve on-demand adhesion to gastric tissues, specifically targeting ulcers. The robot comprises three layers: a central layer with a magnetic base and nonmagnetic frame, and two side layers featuring a magnetic frame and nonmagnetic base. This configuration allows for stable assembly through interlayer magnetic attraction while facilitating adhesion to wet tissues via a Carbopol-based adhesive film. The adhesive film’s performance is optimized through various mechanical tests, revealing that a weight ratio of 1:2 (Carbopol to HPMC-Poloxamer mixture) yields maximum adhesion strength and interfacial toughness, with values of 7.10 kPa and 29.44 J/m², respectively.
The robot’s operation involves translational motion and flipping mechanisms, driven by external magnetic fields, enabling it to navigate and adhere to multiple ulcer sites sequentially. The experimental results demonstrate successful multi-target adhesion in both ex-vivo and in-vivo porcine stomach models, showcasing the robot’s capability to cover and adhere to multiple ulcers effectively. The study highlights the robot’s design principles, including tailored interlayer interactions and optimized adhesive properties, which collectively enhance its performance in a dynamic gastric environment. This innovative approach presents significant potential for targeted therapeutic applications in gastrointestinal medicine.