在人体内部，血管并非笔直、开阔的高速公路。它们是狭窄、蜿蜒的隧道，不断扭转、转向，并分支成越来越小的通道。当血块阻塞其中一个精细的通道时，医生必须引导一种微型工具穿过这片迷宫以清除阻塞。传统上，这需要一根被称为导管的长而柔软的管子，将工具引导至目标部位。然而，在血管系统最复杂和扭曲的部分，这些管子可能难以转弯或到达最深处。工程师面临的挑战是创造一种既足够小能滑过这些急转弯，又足够强壮能在到达后扩张并撑开血管的装置。解决这一问题需要一种能够在没有任何电线、电池或内部电机驱动的情况下，根据指令改变形状的机器。
研究人员开发出一种新型微型机器人，通过将两种截然不同的功能结合到单个无导线设备中，解决了这一难题。他们创造了一种晶格结构，类似于微观的、开放式框架的圆柱体，该结构既可以被引导穿过蜿蜒的路径，又可以被触发以扩张成支撑性的支架。这项发明的关键在于机器人的制造方式及其控制方式。机器人并非在空气中制造，因为其纤细脆弱的支柱会在自身重量下坍塌；相反，它是直接在一种特殊的凝胶状浴液中打印的，这种浴液充当临时支撑。这种浴液在机器人形成过程中将其固定在原位，从而能够制造出原本无法制造的复杂开放形状。一旦打印完成，只需通过冷却浴液使其从凝胶变为液体，即可释放机器人，使精细的结构保持完整。
机器人本身由一种含有微小磁性颗粒的特殊塑料混合物制成。这些颗粒具有双重用途，既作为转向手柄，又作为加热元件。为了移动机器人，研究人员使用稳定的磁场将其沿特定路径拉动，就像指南针针尖对准磁铁一样。这使得紧凑、折叠状态下的机器人能够被引导穿过模拟的血管网络，在不被卡住的情况下通过急转弯和分支点。一旦机器人到达目标位置，团队就会切换到另一种类型的磁信号。通过施加快速交变的磁场，塑料内部的磁性颗粒会产生热量。这种热量足以触发机器人材料特性的变化。
当机器人受热时，它会“记住”其原始的、更大的形状。它会立即向外扩张，压向血管壁以提供支撑，同时保持其长度。这种扩张过程无需任何充气气囊或机械臂。研究人员发现，通过调整塑料墨水中的成分，可以精确调节机器人的行为。通过改变特定软化剂的含量，他们可以设定机器人扩张的确切温度，确保其在运输过程中保持稳定，并在需要时快速激活。他们还调整了不同塑料组分的比例，以控制机器人恢复形状的速度。磁性颗粒的数量经过精心平衡，以确保机器人产生的热量足以触发这种变化，而不会变得过重或难以打印。
团队证明了这一单一设备可以执行医疗程序所需的整个任务序列。他们成功地引导折叠状态下的机器人穿过打印的血管网络模型，使其转向曲线并进入特定的分支。到达目的地后，他们施加交变磁场，使机器人径向扩张并填满空间，有效地模拟了支架的功能。由于导航和扩张是由磁性颗粒对不同物理响应所控制，这两个指令互不干扰。该机器人不需要车载电子设备、无需连接导线，也没有内部电源。这项工作为制造和控制微型、无绳机器建立了一种新方法，这些机器未来有望在人体内最难以到达的区域提供机械支持，为目前依赖笨重输送管的方法提供潜在的替代方案。
技术摘要：用于无线管腔支持的嵌入式 3D 打印磁性形状记忆机器人
问题陈述
目前的血栓切除术和管腔内支持系统高度依赖于有线输送平台，例如导管、导丝和充气球囊。虽然这些方法行之有效，但在处理迂曲、远端或小直径血管解剖结构时具有较高的程序复杂性。设备设计中存在一个根本性的冲突：导航需要小型、柔顺、低剖面的本体以穿过复杂的路径，而机械支持（例如支架化管腔）则需要大型、坚硬且贴合壁面的结构。现有解决方案通过在受限鞘管中储存弹性势能或使用球胀来解决这一问题，但这两种方法都要求输送系统必须物理性地到达目标位置。此外，利用磁性、热可切换材料制造开放式、细支架格构架构具有挑战性；在空气中打印此类结构会导致塌陷、毛细作用收缩以及由于在固化过程中缺乏对斜向、无支撑跨度的支撑而导致的喷嘴堵塞。
方法论
作者提出了一种单步嵌入式 3D 打印策略，用于制造能够进行无线导航和原位部署的磁性驱动类支架格构机器人。
- 制造（嵌入式打印）： 将圆柱形形状记忆格构直接在 Pluronic F-127 屈服应力支持浴中进行直写成型（direct-ink-written）。该支持浴在静止时表现为弹性固体，但在移动喷嘴周围会发生局部流体化，为新挤出的线条提供全方位支持。这使得创建复杂的、悬空的格构几何形状成为可能，而这些结构在空气中会发生塌陷。打印完成后，通过冷却（0–4°C）移除支持浴，触发凝胶-溶胶转变，从而在无需机械挖掘的情况下释放精细结构。
- 材料组成： 该墨水是一种复合材料，包含：
- PLA/PLGA 基质： 提供热塑性框架。通过掺混聚乳酸-共-乙交酯（PLGA）来调节链迁移率和恢复动力学。
- 柠檬酸三丁酯 (tBC)： 作为增塑剂，将玻璃化转变温度 (Tg) 降低至可通过远程加热实现的范围（约 37°C）。
- Fe3O4 纳米颗粒： 具有双重功能：作为磁性手柄，用于在准静态场下的扭矩/梯度操控；以及作为感应加热器，用于在高频交变磁场 (AMF) 下进行体积加热。
- 频率分离控制： 系统利用相同的磁性颗粒实现两个不同且互不干扰的控制通道：
- 导航（低频/准静态）： 准静态磁场提供扭矩以实现定向，并提供场梯度实现平移力，从而引导机器人的转向。
- 部署（高频）： 50 kHz 的交变磁场 (AMF) 在纳米颗粒中诱发滞后损耗，使复合材料进行体积加热，从而触发形状记忆效应和径向扩张。
核心贡献
- 嵌入式制造平台： 本研究建立了一种可重复的微/纳米制造方法，用于制造开放式格构磁性机器人。通过映射支持浴的流变特性以及四变量打印工艺（喷嘴直径、压力、速度、间隙），作者实现了对支架和节点几何形状的精确控制，从而能够打印出此前无法打印的细支架架构（约 150 µm）。
- 材料编程： 研究通过独立的墨水成分变量，实现了对切换温度、恢复动力学和加热效率的解耦控制：
- tBC 含量 设定了切换温度（优化为 20 wt%，使转变温度接近 37°C）。
- PLGA 比例 支配恢复动力学和完整性（优化为 30 wt%，实现约 95% 的恢复率）。
- Fe3O4 负载量 决定了触发跨越 Tg 所需的加热阈值（优化为 1.00 质量比，以达到约 41.5°C）。
- 双模无线驱动： 该装置展示了无需车载电子设备、系绳或充气元件的特性。它成功地利用基于频率分离的磁性输入，在同一材料上实现了导航（转向/旋转）与部署（扩张）的分离。
结果
- 制造与释放： 嵌入式打印工艺成功生产了具有开放孔隙的圆柱形格构。热释放方法（冷却 Pluronic 浴）保留了细支架的完整性，这对于形状记忆功能至关重要。
- 导航性能： 紧凑的、径向塌陷的机器人成功通过了复杂的 2D 轨迹（包括字符“HKUST(GZ)”），并在包含曲线和分叉的 3D 打印血管模拟通道网络中进行了导航。机器人保持与通道中心线平行的对齐状态，这是有效径向部署的前提条件。
- 部署性能： 在暴露于 50 kHz AMF 后，机器人在数秒内触发了径向扩张。在 4 mm 的凹槽中，机器人从 2.6 mm 的运输宽度扩张至 3.85 mm（占据凹槽宽度的 96.1%），耗时 18 秒。其扩张呈径向进行，保持了轴向长度，模拟了自扩张支架的功能。
- 热机械循环： 器件展示了稳定的循环过程：打印（永久形状）→ 编程（通过在 Tg 以下压缩获得临时紧凑形状）→ 导航（磁性转向）→ 部署（通过 AMF 加热至 Tg 以上以实现恢复）。
意义与主张
本文声称建立了一个“单步嵌入式微/纳米制造平台”，用于制造全磁性、无导管机器人，实现远程转向和基于形状恢复的管腔支持。其意义在于：
- 解耦传输与部署： 通过在同一磁性硬件内利用不同的物理机制（扭矩/梯度 vs. 感应加热），该系统避免了多模态磁性机器人常见的干扰问题。
- 克服制造限制： 嵌入式打印策略解决了打印无支撑、斜向格构跨度的特定挑战，从而能够创建有助于低阻力导航和高表面积部署的开放式架构。
- 临床潜力： 作者认为，这种方法拓宽了无系绳内血管器械的设计空间，为在当前导管系统受限的狭窄、难以到达的解剖结构中进行血栓切除术和机械支持提供了潜在解决方案。
作者指出，虽然已演示了该概念，但迈向临床转化还需要进一步的工作，包括校准的工作空间场图谱、定量径向力测量、闭合通道流测试以及系统的生物安全性评估。
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