CN115569298A - 一种磁控微型软体载药胶囊机器人及其制备和驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁控微型软体载药胶囊机器人及其制备和驱动方法，涉及微型机器人在医疗领域的应用。本发明包括上部软体胶囊外壳、上部挤压磁块部件、上部释药磁块部件、顶部十字释药口和下部软体胶囊外壳、下部挤压磁块部件、下部释药磁块部件、底部十字释药口，各挤压磁块和释药磁块分别具有不同的磁化方向，通过外部的三维亥姆霍兹线圈磁场发生装置，可以实现胶囊机器人任意方向的滚动运动和挤压释药动作。本发明中采用的磁性软体胶囊外壳材料构成，可实现胶囊机器人的精准靶向给药，并在人体内实现无害溶解，对微型机器人在临床医疗领域的研究有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，特别涉及一种磁控微型软体载药胶囊机器人及其制备和驱动方法。
背景技术
微型医疗机器人医学治疗和诊断的潜力，其能够接触到人们难以触及的身体部位，并执行各种医疗方法。磁控微型载药胶囊机器人是一种能进入人体胃肠道甚至血管进行医学探查和治疗的智能化微型工具，其体积小，安全性高，是体内介入检查与医学技术的新突破。
微型胶囊机器人具有很多优势，但仍存在较多的难题。一是内部能源供给的驱动方式，一旦能源不足时，机器人的工作时间就会受到限制，怎样保证胶囊在体内有充足的能量供应，将成为决定它能否成功的关键条件；二是难以控制，因为在患者体内，所以很难从体外控制它的位置，且错过病变组织时，不能主动返程，使一些医疗作业无法完成，无法胜任持续时间稍长或复杂度高的任务；三是胶囊机器人大多含有永磁体和线圈等组件，尺寸一般较大，并采用硬质壳体，运动过程中有可能损伤人体内部组织。
传统的给药过程采用注射或口服的方法将药物输送至患者体内，药物通过人体循环系统流经全身，不能单独作用于患处，因此给药过程效率低，会造成药物不必要的浪费。微型载药机器人靶向给药作为微机电、生物学、医学、材料学等学科的交叉产物，是当前世界范围内一个研究热点，其可以解决传统医学无法克服的难题，可以携带药物靶向运动至患处释放，进行定点治疗。已公开专利申请CN111760177A公开了一种用于靶向给药的胶囊注射式磁控机器人及其控制方法，结合内置线圈与管状注射器结构，依靠内置凝胶升温膨胀对管装注射器产生推力作用实现给药，但该方案内部包含复杂的机械装置，额外增加了机器人的体积，难以实现微型机器人微小型化；已公开专利申请CN114010782A公开了一种基于磁性液态金属的微型载药机器人，该微型载药机器人可以响应外部磁场的激励，可以在磁场的作用下利用自身形变通过生物体内的狭小腔道，不会对腔道表面造成损伤，并通过交变磁场对机器人进行升温，机器人发生变形膨胀来加速释放药，但热疗升温的治疗方式并不适合所有的药物靶向治疗，具有一定的局限性。因此，设计结构简单、对人体无害且不改变药理化性质的磁控微型载药胶囊机器人十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在均匀磁场作用下运动的磁控微型软体载药胶囊机器人。
本发明的另一目的是提供一种制备上述磁控微型软体载药胶囊机器人的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种驱动上述磁控微型软体载药胶囊机器人实现运动的驱动方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种磁控微型软体载药胶囊机器人，包括上部软体胶囊外壳(1)、上部挤压磁块部件(2)、上部释药磁块部件(3)、顶部十字释药口(7)和下部软体胶囊外壳(4)、下部挤压磁块部件(5)、下部释药磁块部件(6)、底部十字释药口(8)；
进一步地，所述的胶囊机器人上部挤压磁块部件包括挤压磁块(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)，上部释药磁块部件包括释药磁块(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)，各释药磁块构成的微小间隙为顶部十字释药口(7)；胶囊机器人下部挤压磁块部件包括挤压磁块(5-1)、(5-2)、(5-3)、(5-4)，下部释药磁块部件包括释药磁块(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)，各释药磁块构成的微小间隙为底部十字释药口(8)。
进一步地，各挤压磁块、释药磁块分别具有不同的磁化方向，其中：
以胶囊机器人两端十字释药口所在的轴线为参考轴，上部挤压磁块部件(2)中各相对的挤压磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外，下部挤压磁块部件(5)中各相对的挤压磁块的磁化垂直于参考轴线向内；上部释药磁块部件(3)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向内，下部释药磁块部件(6)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外。
进一步地，各挤压磁块和各释药磁块均采用由质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合制成；软体胶囊外壳采用质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成；上、下软体胶囊外壳的粘结部分采用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成；由明胶、甘油和水制作而成的混合物，可在释药完成后在人体内逐渐溶解，且对人体不会产生任何毒害性作用。
进一步地，磁控微型软体载药胶囊机器人的制备方法包括挤压磁块部件和释药磁块部件制作、软体胶囊外壳制作、软体胶囊外壳连接，其中，
挤压磁块部件和释药磁块部件的制作方法为：将质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合物浇注到挤压磁块部件和释药磁块部件所对应的模具中凹槽处，待混合物固化后分别将磁块按照设定的磁化方向放置到充磁机中进行磁化，从而得到磁化后的各挤压磁块和释药磁块。
软体胶囊外壳的制作方法为：取质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水，先将明胶与冷水混合，待其溶解一段时间后，加入甘油将它们混合，直到明胶彻底分散，然后将混合物加热至80℃，继续混合直至明胶充分溶解；将磁化后的挤压磁块按照设定位置嵌入到压盖模具上的凹槽处，将磁化后的释药磁块按照设定位置放到模具所对应的位置，然后将压盖放进模具中，此时压盖和底部模具之间会形成0.5mm的夹槽；将预先制备的明胶、甘油和水组成的混合液浇注到距离模具上边缘1mm位置处，待固化成型后继续用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水进行填充剩余部分夹槽，待混合物固化成型后取出，从而得到软体胶囊外壳。
软体胶囊外壳连接方法为：将制作好的上部软体胶囊外壳和下部软体胶囊外壳边缘处采用粘结剂进行连接，待完全粘结后，得到完整的胶囊机器人。
进一步地，驱动磁控微型软体载药胶囊机器人实现滚动运动的方法，具体步骤为：
定义胶囊机器人从滚动状态过渡到挤压释药状态磁场强度为临界磁场强度，滚动状态时胶囊机器人自身的形变极其微小，所需外部磁场的强度较小，而挤压释药状态时胶囊机器人自身形变较大，所需外部磁场的强度较大；通过外部三维亥姆霍兹线圈，构建一个旋转均匀磁场且磁场强度小于临界磁场强度，当外部磁场顺时针旋转时，胶囊机器人将向后运动，当外部磁场逆时针旋转时，胶囊机器人将向前运动；当改变外部旋转均匀磁场与水平面的夹角时，胶囊机器人在磁力矩的作用下可以实现向外部旋转磁场平面的偏转，从而实现胶囊机器人朝任意方向的转向运动。
进一步地，驱动该磁控微型软体载药胶囊机器人实现挤压释药运动的方法，步骤如下：
当外部磁场强度大于临界磁场强度时，胶囊机器人开始发生形变，软体胶囊外壳在上、下挤压磁块磁力矩的作用下开始产生挤压收缩，胶囊机器人上、下两端释药磁块在磁力矩的作用下开始向外张开，释药十字开口开始扩大，预先储存在胶囊机器人中的药液在挤压收缩和十字开口扩大的双作用下开始释放出来，保持磁场强度继续增大，待胶囊机器人内部药液得到最大程度释放后，降低外部磁场强度使得胶囊机器人中的释药磁块向内收回，释药十字口继而缩小，胶囊外壳由挤压收缩状态开始恢复原来的球状，至此，实现了胶囊机器人的挤压释药动作。
与现有技术相比，该磁控微型软体载药胶囊机器人结构简单，可进入人体内部实现无害精准靶向给药，且维持药物本身理化性质，在运输过程中药物消耗少，释放药物后的软体胶囊外壳可短时间内溶解，剩余磁块可以跟随体液排出，该技术提高了药物输送的快速性和准确性，在临床治疗领域有极高地应用价值。
附图说明
图1为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的结构示意图；
图2为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的挤压磁块制作模具示意图；
图3为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的释药磁块制作模具示意图；
图4为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的挤压磁块磁化示意图；
图5为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的释药磁块磁化示意图；
图6为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人的软体胶囊外壳制作模具示意图；
图7为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人滚动运动示意图；
图8为本发明的磁控微型软体载药胶囊机器人挤压释药运动示意图；
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
如图1所示，一种磁控微型软体载药胶囊机器人包括上部软体胶囊外壳(1)、上部挤压磁块部件(2)、上部释药磁块部件(3)、顶部十字释药口(7)和下部软体胶囊外壳(4)、下部挤压磁块部件(5)、下部释药磁块部件(6)、底部十字释药口(8)；
磁控微型软体载药胶囊机器人的软体胶囊外壳整体直径为5mm，厚度为0.5mm；
上部挤压磁块部件(2)包括挤压磁块(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)，上部挤压磁块部件(5)包括下挤压磁块(5-1)、(5-2)、(5-3)、(5-4)，挤压磁块厚度为0.5mm，在竖直平面的投影为等腰梯形，梯形上底为1mm，下底为3mm，高为1mm；下部释药磁块部件(3)包括释药磁块(3-1)、(3-2)、(3-3)、(3-4)，下部释药磁块部件(6)包括释药磁块(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)，释药磁块厚度为0.5mm，在水平平面的投影为等腰直角三角形，三角形边长为上底为1.2mm；顶部十字释药口(7)和底部十字释药口(8)间隙的间距为0.2mm。
软体胶囊外壳与均匀嵌入在胶囊外壳上的各挤压磁块和释药磁块连接形成一个完整的胶囊机器人，整体直径为5mm，厚度为0.1mm，同时其柔性结构特点可以使机器人可以实现反复挤压动作。
为了使胶囊机器人具有载药释药的功能，挤压磁块和释药磁块分别具有不同磁化方向，如图4、5所示，具体地，
以胶囊机器人两端十字释药口所在的轴线为参考轴，上部挤压磁块部件(2)中各相对的挤压磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外，下部挤压磁块部件(5)中各相对的挤压磁块的磁化垂直于参考轴线向内；上部释药磁块部件(3)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向内，下部释药磁块部件(6)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外。
磁控微型软体载药胶囊机器人其各部件采用不同的材料制备而成，具体地，
挤压磁块部件(2)、挤压磁块部件(5)、释药磁块部件(3)和释药磁块部件(6)中的各释药磁块均采用由质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合制成；软体胶囊外壳(1)和软体胶囊外壳(4)采用质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成，软体胶囊外壳(1)和软体胶囊外壳(4)的粘结部分采用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成；由明胶、甘油和水制作而成的混合物，可在释药完成后在人体内逐渐溶解，且对人体不会产生任何毒害性作用。
该磁控微型软体载药胶囊机器人的制备方法如下：
步骤一、模具制作：
如图2、3、6所示，使用高精度3D打印机制作胶囊机器人各组成部分的模具；
步骤二、挤压磁块部件和释药磁块部件的制作：
将质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合物浇注到挤压磁块部件和释药磁块部件所对应的模具中凹槽处，待混合物固化后分别将磁块按照设定的磁化方向放置到充磁机中进行磁化，从而得到磁化后的各挤压磁块和释药磁块；
步骤三、软体胶囊外壳的制作：
取质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水，先将明胶与冷水混合，待其开化一段时间后，加入甘油将它们混合，直到明胶彻底分散，然后将混合物加热至80℃，继续混合直至明胶充分溶解且混合液体透明；将磁化后的挤压磁块按照设定位置嵌入到压盖模具上的凹槽处，将磁化后的释药磁块按照设定位置放到模具所对应的位置，然后将压盖放进模具中，此时压盖和底部模具之间会形成0.5mm的夹槽；将预先制备的明胶、甘油和水组成的混合液浇注到距离软体胶囊外壳边缘1mm位置后，继续用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水进行填充剩余部分夹槽，待混合物固化成型后取出，从而得到软体胶囊外壳；
步骤四、软体胶囊外壳的连接：
将制作好的上软体胶囊外壳和下软体胶囊外壳边缘处采用粘结剂进行连接，待完全粘结后，得到完整的胶囊机器人；
步骤五、注射药物：
使用针管将药物通过两端的十字释药口注射入胶囊机器人内部。
该磁控微型软体载药胶囊机器人有挤压释药和滚动运动两种运动模式，具体地，
驱动该磁控微型软体载药胶囊机器人实现滚动运动的方法：
定义胶囊机器人从滚动状态过渡到挤压释药状态磁场强度为临界磁场强度，滚动状态时胶囊机器人自身的形变极其微小，所需外部磁场的强度较小，而挤压释药状态时胶囊机器人自身形变较大，所需外部磁场的强度较大；如图7所示，通过外部三维亥姆霍兹线圈，构建一个旋转均匀磁场且磁场强度小于临界磁场强度，当外部磁场顺时针旋转时，胶囊机器人将向后运动，当外部磁场逆时针旋转时，胶囊机器人将向前运动；当改变外部旋转均匀磁场与水平面的夹角时，胶囊机器人在磁力矩的作用下可以实现向外部旋转磁场平面的偏转，从而实现胶囊机器人朝任意方向的转向运动。
驱动该磁控微型软体载药胶囊机器人实现挤压释药运动的方法：
如图8所示，当外部磁场强度大于30Gs时，胶囊机器人开始发生形变，软体胶囊外壳在上、下挤压磁块磁力矩的作用下开始产生挤压收缩，胶囊机器人上、下两端释药磁块在磁力矩的作用下开始向外张开，释药十字开口开始扩大，胶囊机器人上、下两端释药磁块在磁力矩的作用下开始向外张开，释药十字开口开始扩大，预先储存在胶囊机器人中的药液在挤压收缩和十字开口扩大的双作用下开始释放出来，当磁场强度增大至100Gs时，胶囊机器人内部药液将得到最大程度的释放；当外部磁场强度从100Gs减小至0Gs时，胶囊机器人中的释药磁块向内收回，释药十字口继而缩小，胶囊外壳由挤压收缩状态开始恢复原来的球状；至此，实现了胶囊机器人的挤压释药运动。
Claims (6)
1.一种磁控微型软体载药胶囊机器人，其特征在于，包括上部软体胶囊外壳(1)、上部挤压磁块部件(2)、上部释药磁块部件(3)、顶部十字释药口(7)和下部软体胶囊外壳(4)、下部挤压磁块部件(5)、下部释药磁块部件(6)、底部十字释药口(8)；
所述的上部挤压磁块部件(2)包括挤压磁块(2-1)、挤压磁块(2-2)、挤压磁块(2-3)及挤压磁块(2-4)；上部释药磁块部件(3)包括释药磁块(3-1)、释药磁块(3-2)、释药磁块(3-3)及释药磁块(3-4)，各释药磁块构成的微小间隙为顶部十字释药口(7)；
所述的下部挤压磁块部件(5)包括挤压磁块(5-1)、挤压磁块(5-2)、挤压磁块(5-3)及挤压磁块(5-4)；下部释药磁块部件(6)包括释药磁块(6-1)、释药磁块(6-2)、释药磁块(6-3)及释药磁块(6-4)，各释药磁块构成的微小间隙为底部十字释药口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种磁控微型软体载药胶囊机器人，其特征在于，挤压磁块部件(2)和挤压磁块部件(5)中的各挤压磁块，释药磁块部件(3)和释药磁块部件(6)中的各释药磁块分别具有不同的磁化方向，其中：
以胶囊机器人两端十字释药口所在的轴线为参考轴，上部挤压磁块部件(2)中各相对的挤压磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外，下部挤压磁块部件(5)中各相对的挤压磁块的磁化垂直于参考轴线向内；上部释药磁块部件(3)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向内，下部释药磁块部件(6)中各相对的释药磁块的磁化方向垂直于参考轴线向外。
3.根据权利要求1所述的一种磁控微型软体载药胶囊机器人，其特征在于，挤压磁块部件(2)、挤压磁块部件(5)、释药磁块部件(3)和释药磁块部件(6)中的各释药磁块均采用由质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合制成；软体胶囊外壳(1)和软体胶囊外壳(4)采用质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成，软体胶囊外壳(1)和软体胶囊外壳(4)的粘结部分采用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水混合物制成；由明胶、甘油和水制作而成的混合物，可在释药完成后在人体内逐渐溶解，且对人体不会产生任何毒害性作用。
4.根据权利要求1所述的一种磁控微型软体载药胶囊机器人，其特征在于，胶囊机器人的制备方法包括挤压磁块部件和释药磁块部件制作、软体胶囊外壳制作、软体胶囊外壳连接，其中，
挤压磁块部件和释药磁块部件的制作方法为：将质量比为1∶5的聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)磁性颗粒混合物浇注到挤压磁块部件和释药磁块部件所对应的模具中凹槽处，待混合物固化后分别将磁块按照设定的磁化方向放置到充磁机中进行磁化，从而得到磁化后的各挤压磁块和释药磁块。
软体胶囊外壳的制作方法为：取质量比1∶5∶6的明胶、甘油和水，先将明胶与冷水混合，待其溶解一段时间后，加入甘油将它们混合，直到明胶彻底分散，然后将混合物加热至80℃，继续混合直至明胶充分溶解；将磁化后的挤压磁块按照设定位置嵌入到压盖模具上的凹槽处，将磁化后的释药磁块按照设定位置放到模具所对应的位置，然后将压盖放进模具中，此时压盖和底部模具之间会形成0.5mm的夹槽；将预先制备的明胶、甘油和水组成的混合液浇注到距离模具上边缘1mm位置处，待固化成型后继续用质量比2∶5∶6的明胶、甘油和水进行填充剩余部分夹槽，待混合物固化成型后取出，从而得到软体胶囊外壳。
软体胶囊外壳连接方法为：将制作好的上部软体胶囊外壳和下部软体胶囊的外壳边缘处采用粘结剂进行连接，待完全粘结后，得到完整的胶囊机器人。
5.一种驱动如权利要求1所述的磁控微型软体载药胶囊机器人实现滚动运动的方法，其特征在于，具体步骤为：
定义胶囊机器人从滚动状态过渡到挤压释药状态磁场强度为临界磁场强度，滚动状态时胶囊机器人自身的形变极其微小，所需外部磁场的强度较小，而挤压释药状态时胶囊机器人自身形变较大，所需外部磁场的强度较大；通过外部三维亥姆霍兹线圈，构建一个旋转均匀磁场且磁场强度小于临界磁场强度，当外部磁场顺时针旋转时，胶囊机器人将向后运动，当外部磁场逆时针旋转时，胶囊机器人将向前运动；当改变外部旋转均匀磁场与水平面的夹角时，胶囊机器人在磁力矩的作用下可以实现向外部旋转磁场平面的偏转，从而实现胶囊机器人朝任意方向的转向运动。
6.一种驱动如权利要求1所述的磁控微型软体载药胶囊机器人实现挤压释药运动的方法，其特征在于，具体步骤为：
当外部磁场强度大于临界磁场强度时，胶囊机器人开始发生形变，软体胶囊外壳在上、下挤压磁块磁力矩的作用下开始产生挤压收缩，胶囊机器人上、下两端释药磁块在磁力矩的作用下开始向外张开，释药十字开口开始扩大，预先储存在胶囊机器人中的药液在挤压收缩和十字开口扩大的双作用下开始释放出来，保持磁场强度继续增大，待胶囊机器人内部药液得到最大程度释放后，降低外部磁场强度使得胶囊机器人中的释药磁块向内收回，释药十字口继而缩小，胶囊外壳由挤压收缩状态开始恢复原来的球状，至此，实现了胶囊机器人的挤压释药运动。
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