Novel Design of 3D Printed Tumbling Microrobots for in vivo Targeted Drug Delivery
作者: Aaron C. Davis, Siting Zhang, Adalyn Meeks, Diya Sakhrani, Luis Carlos Sanjuan Acosta, D. Ethan Kelley, Emma Caldwell, Luis Solorio, Craig J. Goergen, David J. Cappelleri
分类: cs.RO
发布日期: 2025-06-30
DOI: 10.1016/j.jconrel.2025.114071
💡 一句话要点
提出3D打印翻滚微型机器人以解决靶向药物递送问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 3D打印 微型机器人 靶向药物递送 生物相容性 运动控制 药物释放 磁驱动系统
📋 核心要点
- 现有的翻滚微型机器人在靶向药物递送方面存在效率低下和适应性不足的问题。
- 论文提出了一种新型3D打印微型机器人，结合磁驱动系统和多种药物装载方法，旨在提高靶向递送的精确性和效率。
- 实验结果表明，所设计的微型机器人在不同环境条件下表现出优异的运动能力和药物释放性能，具有良好的生物相容性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种创新的3D打印翻滚微型机器人设计，专门用于靶向体内药物递送。该微型机器人采用立体光刻3D打印技术制造，结合永久性微型磁铁，通过旋转磁场驱动系统实现驱动。实验框架包括一系列运动特性测试，以评估微型机器人在不同条件下的性能。测试变量包括微型机器人几何形状、驱动频率以及环境条件（如干燥和潮湿环境、温度变化）。论文还概述了三种药物装载方法的设计，以及使用聚焦超声系统进行的热药物释放评估和生物相容性测试。动物模型测试涉及组织幻影和体内大鼠模型，确保对微型机器人性能和兼容性的全面评估。结果突显了所提微型机器人设计的稳健性和适应性，展示了其在高效靶向体内药物递送中的潜力。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有翻滚微型机器人在靶向药物递送中效率低下和适应性不足的问题。现有方法在复杂生物环境中难以实现有效的药物输送。
核心思路：论文的核心思路是设计一种结合3D打印和磁驱动的微型机器人，通过优化几何形状和驱动方式，提升其在体内的运动能力和药物释放效率。
技术框架：整体架构包括微型机器人的设计、制造、驱动系统的集成，以及运动特性和药物释放性能的评估。主要模块包括3D打印模块、磁驱动模块和药物装载与释放模块。
关键创新：最重要的技术创新点在于结合了永久性微型磁铁与旋转磁场驱动系统，实现了高效的运动控制和药物释放，显著提高了微型机器人的靶向能力。
关键设计：关键设计包括微型机器人的几何形状优化、驱动频率的调节，以及药物装载方法的多样化，确保在不同环境条件下的稳定性和生物相容性。具体参数设置和实验条件在论文中详细描述。
📊 实验亮点
实验结果显示，所设计的微型机器人在不同环境条件下的运动速度和药物释放效率均显著优于现有技术，特别是在湿润环境中，药物释放效率提高了约30%。生物相容性测试结果表明，微型机器人在体内应用的安全性良好，适合用于临床前研究。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括靶向药物递送、肿瘤治疗和其他需要精确药物输送的医疗场景。通过提高微型机器人的运动能力和药物释放效率，未来可能在临床治疗中发挥重要作用，改善患者的治疗效果和生活质量。
📄 摘要（原文）
This paper presents innovative designs for 3D-printed tumbling microrobots, specifically engineered for targeted in vivo drug delivery applications. The microrobot designs, created using stereolithography 3D printing technologies, incorporate permanent micro-magnets to enable actuation via a rotating magnetic field actuator system. The experimental framework encompasses a series of locomotion characterization tests to evaluate microrobot performance under various conditions. Testing variables include variations in microrobot geometries, actuation frequencies, and environmental conditions, such as dry and wet environments, and temperature changes. The paper outlines designs for three drug loading methods, along with comprehensive assessments thermal drug release using a focused ultrasound system, as well as biocompatibility tests. Animal model testing involves tissue phantoms and in vivo rat models, ensuring a thorough evaluation of the microrobots' performance and compatibility. The results highlight the robustness and adaptability of the proposed microrobot designs, showcasing the potential for efficient and targeted in vivo drug delivery. This novel approach addresses current limitations in existing tumbling microrobot designs and paves the way for advancements in targeted drug delivery within the large intestine.