微納米機(jī)器人群由大量微小單元組成，憑借集體主動(dòng)遞送能力、增強(qiáng)的成像對(duì)比度和環(huán)境適應(yīng)能力，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。但受限于現(xiàn)有成像方式的視野、時(shí)空分辨率等，其在體內(nèi)的實(shí)時(shí)成像與追蹤一直是難題。本文提出一種利用激光散斑對(duì)比成像（LSCI）的策略，實(shí)現(xiàn)了微群在靜止和流動(dòng)血液環(huán)境中的實(shí)時(shí)追蹤與導(dǎo)航。LSCI 具有全視野、高時(shí)空分辨率和無(wú)創(chuàng)的特點(diǎn)，通過(guò)分析灌注單元（PU）分布可量化微群引發(fā)的動(dòng)態(tài)對(duì)流變化，為研究微群行為及與血液環(huán)境的相互作用提供了新方法，且在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了微群的實(shí)時(shí)追蹤與遞送，為血管系統(tǒng)中微群的主動(dòng)遞送開辟了新路徑。

該研究由 Qinglong Wang、Qianqian Wang、Zhipeng Ning、KAI Fung Chan、Jialin Jiang 等學(xué)者合作完成，相關(guān)成果以《Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery》為題發(fā)表在《Science Robotics》期刊。

重要發(fā)現(xiàn)
01LSCI成像機(jī)制與微集群行為量化
微集群由磁性納米粒子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下自組裝形成。
其核心突破在于：
LSCI通過(guò)捕捉紅細(xì)胞（RBCs）運(yùn)動(dòng)引起的散斑對(duì)比變化，間接可視化微集群。當(dāng)微集群旋轉(zhuǎn)時(shí)，其誘導(dǎo)的流體擾動(dòng)改變RBCs運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響散斑強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（σ）與均值（I）的比值（即散斑對(duì)比度K），最終轉(zhuǎn)化為PU值（PU=1/K2）。

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：
PU量化調(diào)控：輸入頻率從1Hz升至7Hz時(shí)，PU值從40增至115，證明微集群可通過(guò)頻率調(diào)節(jié)局部血流動(dòng)力學(xué)。
穿透深度優(yōu)勢(shì)：在3.5mm血深下仍可成像，優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)成像（＜1mm）。

02 血管環(huán)境中的實(shí)時(shí)導(dǎo)航
在硅膠管（模擬血管）中，微集群在血流速度高達(dá)110mm/s時(shí)仍可穩(wěn)定錨定。

LSCI以毫秒級(jí)延遲提供全視野成像：
靜態(tài)血液：微集群成像面積隨納米粒子劑量增加而擴(kuò)大（20μg→200μg時(shí)面積擴(kuò)大2倍）。
流動(dòng)血液：通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)角度（45°-75°）優(yōu)化成像對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)上下游雙向運(yùn)動(dòng)。
遞送效率：在55mm/s流速下，下游遞送率達(dá)61.7%，上游達(dá)60%，為血栓靶向治療奠定基礎(chǔ)。

03 活體驗(yàn)證與臨床轉(zhuǎn)化潛力
在 大鼠股靜脈模型 中，LSCI成功追蹤微集群的16.8mm長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)，回收率達(dá)85%。研究進(jìn)一步在 人胎盤血管模型 （模擬腦血管分支）完成5輪次、總長(zhǎng)400mm的導(dǎo)航，驗(yàn)證技術(shù)魯棒性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破難題：成像技術(shù)瓶頸 
傳統(tǒng)成像面臨三重矛盾：高分辨率（超聲）但穿透淺、深穿透（MRI）但延遲高、無(wú)輻射但視野窄（熒光）。

本研究通過(guò)LSCI融合三大優(yōu)勢(shì)：
全視野實(shí)時(shí)成像：42mm×42mm視野，毫秒級(jí)反饋速度；
無(wú)創(chuàng)無(wú)標(biāo)記：無(wú)需納米粒子修飾，直接利用血液動(dòng)力學(xué)信號(hào)；
深度適用性：支持3.5mm血深及組織穿透。

02 技術(shù)創(chuàng)新：環(huán)境自適應(yīng)導(dǎo)航
微集群通過(guò) PU分布分析 實(shí)現(xiàn)環(huán)境交互量化，例如：
頻率調(diào)控增強(qiáng)局部對(duì)流，提升藥物釋放效率；
角度優(yōu)化（45°-75°）抵抗高血流剪切力。
技術(shù)價(jià)值 ：為血管內(nèi)溶栓、腫瘤靶向治療提供可控遞送平臺(tái)。

03 臨床價(jià)值：高效安全遞送
精準(zhǔn)回收 ：活體遞送回收率＞85%，降低脫靶風(fēng)險(xiǎn)。
長(zhǎng)時(shí)追蹤 ：35分鐘連續(xù)監(jiān)測(cè)，避免輻射暴露。
多場(chǎng)景適配 ：成功驗(yàn)證于靜態(tài)/流動(dòng)血液、人工血管、胎盤及活體模型。

總結(jié)與展望
本研究開創(chuàng)性地將LSCI技術(shù)與磁性微集群結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了血管內(nèi)微機(jī)器人的實(shí)時(shí)追蹤與精準(zhǔn)遞送。其核心價(jià)值在于突破傳統(tǒng)成像限制，通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)量化（PU分析）與環(huán)境自適應(yīng)控制，為血栓清除、腫瘤治療等血管介入場(chǎng)景提供了無(wú)輻射、高分辨率的新工具。未來(lái)工作需進(jìn)一步優(yōu)化深血管成像（如顱內(nèi)動(dòng)脈）及大型動(dòng)物模型適配，推動(dòng)微納機(jī)器人向臨床轉(zhuǎn)化。隨著激光探頭與機(jī)器人控制的集成，LSCI有望成為血管內(nèi)精準(zhǔn)醫(yī)療的"導(dǎo)航儀"，重塑藥物遞送技術(shù)格局。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Wang Q, Wang Q, Ning Z, Chan KF, Jiang J, Wang Y, Su L, Jiang S, Wang B, Ip BYM, Ko H, Leung TWH, Chiu PWY, Yu SCH, Zhang L. Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery. Sci Robot. 2024 Feb 21;9(87):eadh1978.

DOI:10.1126/scirobotics.adh1978.