图 肠蠕动驱动的仿刺鲀口服给药微针机器人
在国家自然科学基金项目（批准号：62173200、62350710211、62173198）资助下，清华大学张明君教授研究团队与徐静副教授研究团队开展交叉合作，在口服给药微针机器人的“感知-驱动一体化柔顺控制”方面取得进展。研究成果以“利用肠蠕动驱动的微针机器人实现生物药物的无痛口服递送（Pain-free oral delivery of biologic drugs using intestinal peristalsis–actuated microneedle robots）”为题，于2024年1月5日发表于《科学•进展》（Science Advances）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj7067。
当前，生物大分子类药物在重大疾病的防治中发挥着极其重要的作用。然而，此类药物无法直接被胃肠道吸收，因此研究能够突破口服递送瓶颈的给药机器人具有重要的科学意义与社会价值。但是，现有研究大多缺乏对胃肠道运动特性的考虑，普遍利用外场或者通过弹簧等机械结构的弹性势能来驱动口服给药机器人，难以实现对机器人与胃肠道交互的有效控制，导致药物递送效率受限，且其刚性结构容易导致消化道损伤。
针对上述领域痛点，研究团队巧辟蹊径，发明了肠蠕动驱动的柔性可降解微针机器人，实现了生物类药物的安全口服递送。首先，研究团队探究了肠道蠕动的压强和“收缩-舒张”周期等动力学特性和规律，为口服给药机器人与肠道动态交互过程的力学建模奠定了基础。其次，基于上述力学特性设计了仿刺鲀口服给药机器人，建立了可降解水凝胶机器人的力学平衡模型，优化了机器人的外形尺寸、弹性模量、填充率和微针形状等关键参数，实现了机器人与肠道交互过程中的柔顺控制。最后，在14头巴马猪体内进行的实验表明该口服给药微针机器人的胰岛素递送效率较直接口服提高了三十余倍，推动了生物类药物口服递送领域的发展。