李 銳，王娟娟，劉揚(yáng)宇軒，張鈺凌，趙彬妤，楊 晨，呂 毅，劉曉麗，劉曉菲*

（1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院MED-X 研究院再生與重建醫(yī)學(xué)研究所，西安710061；2.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部，西安710061）

0 引言

磁性材料是指在磁化后可對(duì)外部磁場(chǎng)作出某種反應(yīng)方式的材料。它的優(yōu)點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：一是磁力，在磁力的作用下，磁性材料可以通過(guò)外部的非接觸手段接受操縱完成指令，以及在兩個(gè)或多個(gè)磁性材料組成的磁性元件之間基于磁極所產(chǎn)生的對(duì)點(diǎn)吻合效應(yīng)；二是磁場(chǎng)，磁性材料所具有的磁場(chǎng)可以對(duì)藥物和細(xì)胞產(chǎn)生影響，為臨床研究與治療提供全新的思路與方法[1-2]。在日益要求精準(zhǔn)、微創(chuàng)、體外操作的醫(yī)療背景下，一些磁性材料以及基于磁性材料所產(chǎn)生的操作體系正在被廣泛地應(yīng)用于臨床實(shí)踐和生物醫(yī)學(xué)研究當(dāng)中[3-4]。

傳統(tǒng)的磁性材料以及衍生出的操作體系在臨床應(yīng)用中較為成熟的有磁外科技術(shù)。磁外科技術(shù)是利用特殊設(shè)計(jì)的磁性器械或設(shè)備，通過(guò)磁性物質(zhì)間相互非接觸性的磁力作用，從而完成器官錨定、管腔導(dǎo)航、間隙擴(kuò)張、可控示蹤等操作[5]，如磁壓榨、磁吻合、磁導(dǎo)航、磁錨定等，這些技術(shù)在消化管腔吻合、血管吻合、造瘺、介入等方面相比于常規(guī)手術(shù)明顯表現(xiàn)出創(chuàng)傷小、預(yù)后良好等優(yōu)勢(shì)[6-11]。

而在新型磁性材料中，基于人體柔軟、易受損的性質(zhì)和黏附策略近年來(lái)的發(fā)展，磁性黏附材料與磁性軟體材料已經(jīng)在醫(yī)療實(shí)踐和研究中展現(xiàn)出了它們巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力[12-13]。磁性黏附材料和磁性軟體材料都是在某種程度上具有磁性的材料，但它們?cè)诓牧系奈锢硇再|(zhì)和應(yīng)用領(lǐng)域方面存在著顯著的差異。磁性黏附材料指具有磁性且能夠黏附在其他物體表面上的材料，這些材料通常包含鐵、鎳、鈷或其合金以及其他化合物；磁性軟體材料指具備磁性的可塑性強(qiáng)、柔軟、可變形的材料，這些材料在外加磁場(chǎng)的作用下可以改變形狀，甚至產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，磁性黏附材料和磁性軟體材料的主要區(qū)別在于：磁性黏附材料更加關(guān)注于通過(guò)其黏附其他物體的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)黏附、固定的目的；磁性軟體材料則更加關(guān)注通過(guò)其變形、運(yùn)動(dòng)的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能。目前研究者們開(kāi)發(fā)出了多種以磁性材料為基礎(chǔ)的磁性黏附和軟體材料，諸如磁性凝膠、磁性納米酶、磁性納米骨架、磁膜、磁性黏合劑、磁噴霧等，在腫瘤治療、分子印跡、定向給藥、微型機(jī)器人構(gòu)建等醫(yī)療應(yīng)用與研究領(lǐng)域表現(xiàn)出了十分優(yōu)良的性能[14-17]。本文主要闡述磁性黏附材料和磁性軟體材料目前在臨床應(yīng)用和醫(yī)療研究領(lǐng)域如微創(chuàng)手術(shù)、靶向給藥、導(dǎo)管導(dǎo)航、組織工程、載體技術(shù)等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展，總結(jié)并討論磁性黏附材料和磁性軟體材料在醫(yī)療研究應(yīng)用中仍然存在的部分缺陷與解決辦法，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出性能更加優(yōu)良、更加適用于醫(yī)療領(lǐng)域的磁性黏附材料和磁性軟體材料并擴(kuò)展其應(yīng)用場(chǎng)景提供思路。

1 磁性黏附材料研究進(jìn)展

黏附材料是指可通過(guò)特別的機(jī)械結(jié)構(gòu)、氫鍵、范德華力、靜電等產(chǎn)生的物理、化學(xué)效應(yīng)來(lái)黏附、粘結(jié)其他物體的材料[18-19]。傳統(tǒng)的黏附材料被廣泛用于醫(yī)療研究和實(shí)踐中，如組織黏合、傷口修復(fù)、止血、固定化酶等[20-22]。為了得到性能更加優(yōu)秀的新型黏附材料，研究者將磁性顆粒與黏附材料有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建出了多種磁性黏附材料，如磁性黏合劑、磁性水凝膠、磁性復(fù)合膜、磁性酶載體等[22-25]（如圖1 所示）。

圖1 磁性黏附材料組成成分的分類示意圖

1.1 可黏附于其他物體表面的磁性材料

將磁性材料黏附于其他物體表面，可以將受到的磁力傳遞到物體上，從而使原本不具備運(yùn)動(dòng)能力的物體在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行受迫運(yùn)動(dòng)或因?yàn)榇艠O的相互吸引而使得2 個(gè)物體進(jìn)行對(duì)點(diǎn)吻合?；诖耍琘ang 等[13]開(kāi)發(fā)出一種磁性噴霧，該噴霧由磁性顆粒、谷蛋白、聚乙烯醇混合制成。其中磁性顆粒提供受磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的能力，谷蛋白和聚乙烯醇提供黏附能力。該噴霧在噴涂到其他物體表面之后可以黏附于其上并形成一層磁性薄膜（如圖2 所示），并且形成的磁性薄膜很薄，幾乎不影響物體原來(lái)的尺寸大小。在對(duì)磁性薄膜進(jìn)行定向磁化后，被黏附的物體在操縱磁場(chǎng)作用下可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該磁性噴霧在構(gòu)建無(wú)線驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人、導(dǎo)管導(dǎo)航、定向給藥等方面具有巨大的潛力。

圖2 磁性薄膜示意圖

除此之外，在醫(yī)療實(shí)踐中會(huì)用到黏合劑的場(chǎng)合也不在少數(shù)，如牙科黏合劑、軟組織用黏合劑、骨科黏合劑等。Garcia 等[23]將超順磁性氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs）摻入牙科黏合劑中就可以得到比傳統(tǒng)的牙科黏合劑更加優(yōu)良的磁性牙科黏合劑。與傳統(tǒng)的牙科黏合劑相比，在磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，該牙科黏合劑可以更深地滲透入牙本質(zhì)中，更加完美地填補(bǔ)應(yīng)用傳統(tǒng)牙科黏合劑時(shí)會(huì)存在于牙本質(zhì)和黏合劑之間的空隙，消除了可能使細(xì)菌滋生的空間，降低了在第一次修補(bǔ)后可能繼發(fā)出現(xiàn)的牙本質(zhì)再次損傷風(fēng)險(xiǎn)[26]，減小了患者二次修補(bǔ)的概率。

此外，也有通過(guò)借助磁性顆粒的受力運(yùn)動(dòng)特性來(lái)提供黏附能力的磁性黏附材料，如Su 等[27]和Zhao等[28]受到章魚(yú)啟發(fā)，將仿生黏附策略和磁性材料相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了利用外置的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并且可以通過(guò)磁性顆粒的受力運(yùn)動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)黏附性轉(zhuǎn)換的智能磁性黏附材料。在紅外線或磁場(chǎng)的影響下，通過(guò)磁性顆粒的光熱效應(yīng)或受力運(yùn)動(dòng)，由磁性材料所構(gòu)建的表面結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，就像章魚(yú)的吸盤一樣產(chǎn)生和釋放負(fù)壓，從而使得材料在高黏附性和低黏附性之間切換，實(shí)現(xiàn)選擇性拾取與放置操作，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定向移動(dòng)，可以用于定向給藥并且具有可以重復(fù)利用的特點(diǎn)。

1.2 用于制作酶、細(xì)胞或藥物載體的磁性黏附材料

1.2.1 用于固定化酶技術(shù)的磁性黏附材料

酶是一種重要的催化劑，通過(guò)固定化技術(shù)將酶進(jìn)行固定可以改善自由酶的許多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)酶的回收和重復(fù)使用，達(dá)到連續(xù)化操作、降低生產(chǎn)成本等目的，在醫(yī)療領(lǐng)域具有十分重要的地位，臨床上的固定化酶技術(shù)可以用于檢測(cè)人體血液中各種成分如葡萄糖、膽固醇、甘油三酯等[24，29-30]。用磁性黏附材料來(lái)進(jìn)行酶的固定化，可以通過(guò)磁性顆粒產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變被固定的酶所處的微環(huán)境來(lái)促進(jìn)其催化效率[31]。

殼聚糖由于其優(yōu)良的親水性、生物相容性、生物降解性，被廣泛地用于固定化技術(shù)的載體材料[32]。Ni 等[33]開(kāi)發(fā)了一種磁性鄰苯二酚殼聚糖載體用于固定轉(zhuǎn)氨酶，研究表明用這種材料固定的轉(zhuǎn)氨酶與傳統(tǒng)的固定化方式相比，具有更高的負(fù)載率、更強(qiáng)的pH 穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且在長(zhǎng)時(shí)間保存（15 d）和多次重復(fù)利用（15 次）之后仍然可以使酶的活性保持在基礎(chǔ)值的一半以上，大大減少了研究成本和復(fù)雜度。

無(wú)論是在臨床實(shí)踐還是研究中，檢測(cè)技術(shù)都是必不可少的，開(kāi)發(fā)高效、高靈敏度、高準(zhǔn)確度的檢測(cè)裝置一直是一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。將葡萄糖氧化酶和膽固醇氧化酶固定于磁性納米顆粒上[34]，然后與N-異丙基丙烯酰胺-共丙烯酰胺偶聯(lián)就可以借助磁性納米顆粒的磁熱效應(yīng)制造一種可溫控、靈敏度高的葡萄糖、膽固醇生物傳感器，可用于測(cè)定人血清中的葡萄糖和膽固醇含量。除了檢測(cè)人體基本生理指標(biāo)，在臨床檢驗(yàn)中，對(duì)一些特異性指標(biāo)的檢驗(yàn)如用酶聯(lián)免疫吸附（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）法檢測(cè)抗體水平對(duì)多種疾病如病毒、寄生蟲(chóng)感染的診斷和篩查具有重要意義[35]。但傳統(tǒng)的ELISA 法步驟煩瑣，所需時(shí)間長(zhǎng)。Huergo 等[36]將磁性納米顆粒作為報(bào)道分子的載體或檢測(cè)抗體的載體，這種顆粒由于空隙多，可搭載的抗體數(shù)量多于常規(guī)載體，靈敏度比普通的ELISA 法更高。同時(shí)由于磁性納米顆粒在磁場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，加速了樣本中生物分子的運(yùn)動(dòng)，縮短了免疫復(fù)合物形成的時(shí)間，加快了檢驗(yàn)速度。盡管如此，這種方法在小于30 min 的臨床樣本檢測(cè)中靈敏度仍然不高。為了克服這一問(wèn)題，Singampalli等[37]研制了一種附著辣根過(guò)氧化物酶和偶聯(lián)辣根過(guò)氧化物酶的檢測(cè)抗體的磁性納米顆粒，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種快速磁性ELISA 法，這一方法增加了靶抗原結(jié)合點(diǎn)位，同時(shí)通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行和信號(hào)擴(kuò)增，成功實(shí)現(xiàn)了在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量樣本的檢測(cè)，并保持了十分高的靈敏度。

固定化酶技術(shù)不僅可以用于生物檢驗(yàn)，在一些疾病的治療中也能發(fā)揮作用。Zhang 等[38]將磁性納米顆粒、超分子納米凝膠和氯化過(guò)氧化物酶相結(jié)合，構(gòu)建了一種具有中性粒細(xì)胞性能的材料，通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的作用將該材料定向運(yùn)輸?shù)侥[瘤附近后通過(guò)特定的磁場(chǎng)激發(fā)氯化過(guò)氧化物酶的活性，提高腫瘤微環(huán)境中過(guò)氧化物的含量，達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞、治療癌癥的目的。

1.2.2 用于細(xì)胞載體的磁性黏附材料

開(kāi)發(fā)合適的載體平臺(tái)對(duì)于體外培養(yǎng)細(xì)胞、研究細(xì)胞行為、干細(xì)胞治療、藥物研究等具有重要意義[39-40]，因此如何選擇合適的材料合成載體來(lái)調(diào)控和影響細(xì)胞行為進(jìn)而揭示某些疾病的發(fā)病機(jī)制或利用培養(yǎng)的細(xì)胞解釋某些生物學(xué)現(xiàn)象以及進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn)一直是研究界的熱點(diǎn)[41-42]。

磁性細(xì)胞載體通常由磁性納米顆粒和其他一些常用于構(gòu)建普通載體材料的聚合物如聚酯酰胺、聚乙烯醇等[43-44]混合而成。Fillippi 等[45]發(fā)現(xiàn)磁性載體材料可以通過(guò)磁性顆粒所具有的磁熱效應(yīng)和磁場(chǎng)來(lái)改變細(xì)胞所處的微環(huán)境、胞內(nèi)信號(hào)分子轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)等來(lái)調(diào)控細(xì)胞行為，基于這樣的特性，磁性材料已經(jīng)被廣泛用于制作細(xì)胞載體。Hu 等[46]將磁性顆粒與水凝膠結(jié)合研制出一種磁性凝膠材料，將形成的磁性凝膠薄膜用于體外培養(yǎng)細(xì)胞，促進(jìn)了培養(yǎng)的上皮細(xì)胞和癌細(xì)胞的多細(xì)胞球狀體的自發(fā)形成，為體外抗癌治療藥物的研究和新型磁熱療法的實(shí)現(xiàn)提供了新的平臺(tái)。

磁性細(xì)胞載體除了用于體外培養(yǎng)細(xì)胞外，在組織工程中也應(yīng)用廣泛。Zhang 等[47]研制的由磁性納米顆粒和有機(jī)聚合物構(gòu)成的三維磁性復(fù)合膜具有十分適合組織細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)的三維結(jié)構(gòu)，并且細(xì)胞毒性很低，在負(fù)載姜黃素之后可以加速皮膚傷口的愈合，組織細(xì)胞的快速增殖或許也與磁性納米顆粒提供的磁場(chǎng)有關(guān)，具體的效應(yīng)仍待后續(xù)研究闡明。

1.2.3 用于藥物載體的磁性黏附材料

凝膠由于具備良好的生物相容性和復(fù)雜的三維孔隙結(jié)構(gòu)，成為藥物載體的良好選擇[48]。在凝膠中加入磁性顆粒，不僅可以借助磁性顆粒在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下的定向移動(dòng)來(lái)達(dá)到靶向運(yùn)送藥物的目的，同時(shí)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的控制來(lái)定點(diǎn)釋放或激活藥物，使藥物精準(zhǔn)作用于病灶[49-50]。Zhu 等[51]將5-氟尿嘧啶封裝于殼聚糖包裹的磁性納米顆粒中，通過(guò)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)將5-氟尿嘧啶靶向運(yùn)送到腫瘤區(qū)域然后釋放，通過(guò)誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡來(lái)治療腫瘤。Darini 等[50]研制出一種由海藻酸鈉、B-環(huán)糊精以及磁性納米顆粒混合而成的磁性納米凝膠材料，將順二胺二氯鉑搭載到磁性納米凝膠顆粒上，在磁場(chǎng)作用下將藥物運(yùn)送到腫瘤所在部位再釋放藥物，將順二胺二氯鉑的作用范圍局限于腫瘤區(qū)域，降低了該化療藥的全身毒性作用。Veloso 等[49]將以錳鐵氧化物為基底的磁性納米顆粒摻入含有萘普生的脫氫肽基水凝膠中構(gòu)建出一種磁性水凝膠，嘗試在這種磁性水凝膠上負(fù)載不同藥物如噻吩吡啶衍生物來(lái)進(jìn)行腫瘤靶向治療。這些研究都局限于通過(guò)磁性顆粒在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下的定向移動(dòng)來(lái)靶向送藥，如果能夠探究磁場(chǎng)對(duì)藥物和組織的作用，或許能夠開(kāi)發(fā)出類似于各種光動(dòng)力治療的對(duì)抗癌癥的更加有效的手段。

除了應(yīng)用于腫瘤化療藥的靶向輸送以外，在磁性載體上負(fù)載不同的藥物就能達(dá)到不同的效果，如單寧橋接的磁性水凝膠[52]可用于促進(jìn)傷口的愈合，使用鈷鐵氧化物作為磁性納米顆粒，鈷離子和單寧提供了抗炎、抗菌等性能，此外鈷離子還能促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生成，從而有效地提高傷口愈合速率，另外，磁性納米顆粒提供的恒定磁場(chǎng)同樣具有促進(jìn)傷口愈合的功能。

不同的磁性顆粒與不同的有機(jī)或無(wú)機(jī)聚合物交聯(lián)混合，就可以得到擁有不同性狀的載體，但如何混合、如何配比、如何選擇最佳的材料，以及不同的載體所具有的不同性質(zhì)和影響因素仍待進(jìn)一步探索。部分磁性黏附材料的組成成分見(jiàn)表1。

表1 部分磁性黏附材料的組成成分

1.3 磁性黏附材料目前的缺陷

目前應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的磁性黏附材料仍然存在一些問(wèn)題，當(dāng)被應(yīng)用于體內(nèi)時(shí)，其需要有足夠良好的生物相容性，而大部分的磁性顆粒和黏附劑在這方面往往存在缺陷。即使通過(guò)回收來(lái)規(guī)避遺留在體內(nèi)的影響，采用何種回收方法以及如何確保徹底回收也是一大難題。當(dāng)被作為細(xì)胞載體材料使用時(shí)，磁性顆粒也具備一定的細(xì)胞毒性，或是提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)弱達(dá)不到要求，并且其提供的磁場(chǎng)可能會(huì)因?yàn)楦邷?、銹蝕等影響而減弱甚至消失，從而影響實(shí)驗(yàn)或檢驗(yàn)的結(jié)果，因此研制、尋找穩(wěn)定高效的磁性黏附材料以及磁性顆粒的保護(hù)策略仍然是亟待解決的問(wèn)題。

2 磁性軟體材料的研究現(xiàn)狀

軟體材料具有柔軟、易變形、高自由度的特點(diǎn)[53-55]。人體組織與器官大部分都是十分柔軟的，與傳統(tǒng)的剛性材料相比，軟體材料具有更加優(yōu)良的生物相容性[56]，在進(jìn)行會(huì)接觸到人體組織的操作中，如胃腸鏡、外科手術(shù)時(shí)[57-59]，軟體材料可以產(chǎn)生順應(yīng)組織器官形狀的變形，最大限度地減少對(duì)人體的損傷。而磁性軟體材料可以通過(guò)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)或磁熱效應(yīng)使材料主動(dòng)產(chǎn)生變形[60]，不僅擴(kuò)大了順應(yīng)變形的優(yōu)點(diǎn)，更為構(gòu)建軟體機(jī)器人提供了良好的原材料[61-62]。根據(jù)磁性軟體材料所含磁性元件的存在形式和大小可以分為由磁性微粒（微米級(jí)、納米級(jí)）構(gòu)建的磁性軟體材料，和由大尺寸磁性元件構(gòu)建的軟體材料（如圖3 所示）。

圖3 磁性軟體材料的分類示意圖

2.1 由磁性微粒構(gòu)建的磁性軟體材料

在臨床手術(shù)操作中，通常涉及對(duì)部分組織的牽拉和固定以暴露手術(shù)區(qū)域或提高組織張力使得切除更為簡(jiǎn)單，但傳統(tǒng)的用來(lái)牽拉組織的器械常會(huì)給被牽拉組織帶來(lái)?yè)p傷從而導(dǎo)致炎癥與組織黏連進(jìn)而影響手術(shù)預(yù)后。因此，如何溫柔地進(jìn)行組織牽引一直是一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。張苗苗等[63]將海藻酸鈉-四氧化三鐵微?；鞈乙汉?00 g/L 葡萄糖酸鈣溶液混合構(gòu)建了一種磁性水凝膠，通過(guò)磁場(chǎng)牽引使該水凝膠在病變黏膜下受力變形，使得病變黏膜被抬起，充分暴露切除部位，以用于非肌層浸潤(rùn)性膀胱癌切除。這樣可以使手術(shù)視野得到擴(kuò)展，同時(shí)由于被牽拉部分黏膜具有較大的組織張力，降低了切除的難度，提高了切除的精度。而該磁性水凝膠柔軟順滑，并未對(duì)被牽引部分的黏膜造成較大的機(jī)械損傷，使得手術(shù)的預(yù)后良好。

除用于輔助外科手術(shù)，人體中也有許多需要通過(guò)變形來(lái)完成正常生理功能的器官，如心臟、膀胱、肺等，磁性軟體材料可以通過(guò)輔助這些器官的變形從而進(jìn)行輔助治療。Yang 等[64]將磁性微粒分散到硅膠中構(gòu)建了一種磁性軟體膀胱，用于因膀胱逼尿肌障礙導(dǎo)致排尿障礙的患者的輔助排尿（驅(qū)動(dòng)方式如圖4 所示）。在豬的體內(nèi)測(cè)試中展示出了這種方法具有傳統(tǒng)導(dǎo)尿手段不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如患者可按自主意愿進(jìn)行排尿而且感染風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)降低。導(dǎo)管技術(shù)也要求所使用的材料具有良好的變形性能，心血管疾病的微創(chuàng)治療通常是經(jīng)過(guò)導(dǎo)管來(lái)進(jìn)行的，將釹鐵硼磁性微粒分散到聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）中構(gòu)建一種磁性軟體材料，并以此材料制作導(dǎo)管的末端，可以構(gòu)建出一種用于輔助心血管疾病微創(chuàng)治療的磁控導(dǎo)管[65]，該磁性導(dǎo)管可以在磁場(chǎng)作用下主動(dòng)地進(jìn)行彎曲，從而減少對(duì)血管壁的損傷，并實(shí)現(xiàn)對(duì)病變部位進(jìn)行精準(zhǔn)治療。

圖4 不同磁性軟體材料在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)示意圖

軟體材料也被廣泛用于構(gòu)建軟體機(jī)器人[66]，磁性軟體材料的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)一步促進(jìn)了軟體機(jī)器人的構(gòu)建，由于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)使得軟體機(jī)器人擁有了更靈活的變形能力和運(yùn)動(dòng)能力，并且不再需要搭載外部執(zhí)行器和能源，大大地縮小了機(jī)器人的體積[67-68]，使其更加適應(yīng)人體內(nèi)部復(fù)雜而狹小的環(huán)境。基于上述特點(diǎn)，Lum 等[69]將釹鐵硼磁性微粒分散到軟硅膠中構(gòu)建出一種磁性軟體材料，并以此材料為基礎(chǔ)，提供了可通用的編程方法與計(jì)算公式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀的微型磁控機(jī)器人的磁化模式和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的自動(dòng)編程，為應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程以及其他領(lǐng)域的磁控微型機(jī)器人的構(gòu)建提供了一種可靠的方法。Wang等[70]則將釹鐵硼磁性微粒、二氧化硅微粒、PDMS 和交聯(lián)劑混合構(gòu)建出一種磁性軟體材料充當(dāng)3D 打印的墨水，并通過(guò)多材料墨水直寫(xiě)技術(shù)將磁性軟體材料與柔性傳感器一步集成，賦予了磁性軟體機(jī)器人溫度、觸覺(jué)以及電化學(xué)感知能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)磁性軟體機(jī)器人無(wú)法感知環(huán)境的缺點(diǎn)。將這一磁性軟體機(jī)器人應(yīng)用于靶向給藥，通過(guò)傳感器的反饋可以及時(shí)調(diào)整磁性軟體機(jī)器人的姿態(tài)以適應(yīng)人體內(nèi)的腔隙，并通過(guò)電化學(xué)傳感器評(píng)價(jià)藥物釋放的情況，對(duì)給藥效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

磁性軟體材料也能夠用于制作能夠感受壓力和拉力的醫(yī)用傳感器，用以監(jiān)測(cè)患者的部分臨床指標(biāo)。Heidarian 等[71]研制了一種基于磁性納米纖維素的韌性、彈性好的鐵凝膠，這一鐵凝膠具備自主愈合以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，且對(duì)人體的刺激性小，可以用于制作柔性傳感器以用于健康檢測(cè)。

隨著醫(yī)用紡織品的發(fā)展，各種各樣的材料也被應(yīng)用于制作醫(yī)用紡織品以使其獲得不同的特性。Banerjee 等[72]將納米復(fù)合物與鐵磁微粒按一定比例混合構(gòu)建出直徑僅有300 μm 的磁性纖維，這一纖維在外加磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下可以提起自身質(zhì)量370 倍的物體，并能夠在其上集成其他功能，為高性能醫(yī)用紡織品的進(jìn)一步研制鋪平了道路。

由磁性微粒構(gòu)建的軟體材料由于使用的磁性顆粒體積小，可以均勻地分散到材料的各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)連續(xù)而均勻的變形，且理論上變形空間很大，可以完成各種復(fù)雜的變形從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)的操作，但對(duì)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的要求也隨之升高。

2.2 由大尺寸磁性元件構(gòu)建的磁性軟體材料

內(nèi)窺鏡檢查是臨床上常見(jiàn)的檢查手段，常用于消化管腔內(nèi)病變的探查。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡技術(shù)常依賴于機(jī)械推進(jìn)以及管腔壁的擠壓進(jìn)行被動(dòng)屈曲，這樣常導(dǎo)致患者不適，也容易對(duì)管腔壁造成機(jī)械損傷。Slawinski等[73]將柔性材料與永磁體結(jié)合構(gòu)建出一種磁性軟體材料，并以此材料為基礎(chǔ)構(gòu)建內(nèi)窺鏡的末端部分，這使得構(gòu)建出的內(nèi)窺鏡可以在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)地進(jìn)行變形以適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜的管腔情況，減少了對(duì)管腔壁的擠壓，擴(kuò)大了視野范圍。

在腹腔手術(shù)中，常常需要將一些組織或器官牽拉開(kāi)以暴露手術(shù)部位，傳統(tǒng)的牽拉方式由于器械的原因常有可能給被牽拉的器官和組織帶來(lái)鈍性損傷。Cavallo 等[74]研制出了一種兩端為磁性元件的軟體材料，形狀類似于一根軟管，用于牽拉阻擋手術(shù)視野的器官或組織，例如在腹腔手術(shù)中，用該軟管套住無(wú)關(guān)的腸管，通過(guò)外置磁場(chǎng)的牽引將腸管拉開(kāi)暴露手術(shù)視野，不僅不再需要助手在旁邊牽拉，為主刀醫(yī)生提供了更大的操作空間，而且大大降低了對(duì)被牽拉器官造成額外損傷的概率（驅(qū)動(dòng)方式如圖4 所示）。

肥胖是一種全球性的慢性代謝性疾病，研究者們開(kāi)發(fā)了多種治療手段來(lái)改善機(jī)體肥胖。其中有一種在胃內(nèi)放置氣囊來(lái)提高飽腹感從而減少能量攝入以控制體質(zhì)量的療法獲得了良好的效果[75]。Do 等[76]將永磁體與PDMS 結(jié)合構(gòu)建出一種磁性軟體材料，以此材料為基礎(chǔ)構(gòu)建的磁性軟體膠囊在被吞入后，可用外部磁場(chǎng)吸引處于胃中膠囊內(nèi)的磁性元件，通過(guò)磁性元件的運(yùn)動(dòng)從而使膠囊口開(kāi)放，胃酸進(jìn)入膠囊內(nèi)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳使得膠囊充盈成氣囊，達(dá)到減少胃容積的目的。

與使用磁性微粒構(gòu)建的軟體材料相比，使用體積相對(duì)較大的磁性元件所構(gòu)建的軟體材料不可避免地帶來(lái)了體積的增大和變形程度上的限制，但固定的大體積磁性元件也相應(yīng)降低了對(duì)外置驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的要求，甚至只需內(nèi)部磁性元件的相互作用就可以完成相應(yīng)的功能，所衍生出的操作體系也相對(duì)可靠。

2.3 磁性軟體材料目前的缺陷

不論是由磁性微粒構(gòu)建的磁性軟體材料還是由大尺寸磁性材料構(gòu)建的磁性軟體材料都面臨著提高生物相容性以及內(nèi)部磁化方向的復(fù)雜化與穩(wěn)定性的問(wèn)題。因?yàn)槌Ｓ玫淖鳛榇判栽慕饘倩蚝辖鸲紝?duì)人體或多或少存在一些毒性。對(duì)于作為一個(gè)整體而言的磁性軟體材料，如何避免當(dāng)材料內(nèi)部存在多個(gè)磁化方向時(shí)各個(gè)部分在磁場(chǎng)的作用下相互影響而導(dǎo)致預(yù)期外的運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)亟須解決的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

與應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中的傳統(tǒng)材料相比，磁性黏附材料和磁性軟體材料由于其對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)或本身具備磁場(chǎng)的特點(diǎn)，在醫(yī)療研究和應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。磁性黏附材料根據(jù)所附著物質(zhì)的不同可以實(shí)現(xiàn)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，附著藥物可以用于藥物的靶向治療，附著細(xì)胞可以用于組織工程，附著酶可以改變酶的活性或黏附在其他物體上使其也可以在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下間接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。磁性軟體材料根據(jù)其中磁性元件的分散度可以分為由磁性微粒構(gòu)建的軟體材料和由大尺寸磁性材料構(gòu)建的軟體材料，在輔助外科微創(chuàng)手術(shù)、導(dǎo)管導(dǎo)航、心血管介入等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

目前來(lái)看，這2 種材料仍然存在許多亟待解決的問(wèn)題。在生物相容性上，由于搭載了磁性材料，無(wú)法做到使材料完全被機(jī)體吸收，如何回收便成了一大問(wèn)題。在對(duì)組織的損傷上，雖然與傳統(tǒng)方法相比較，基于磁性材料的許多應(yīng)用如使用磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)管導(dǎo)航已經(jīng)大大地減少了組織器官的受力程度，但由于磁場(chǎng)的牽引，組織器官仍然會(huì)受到一定大小的存在于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)和磁性材料連線方向上的力。

將磁性材料運(yùn)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，探究磁場(chǎng)具有的生物學(xué)效應(yīng)或許可以為某些疾病的臨床治療提供思路，也可以通過(guò)磁場(chǎng)開(kāi)發(fā)出新的研究方法。對(duì)于磁性黏附材料和磁性軟體材料而言，為了進(jìn)一步提高其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用效果，未來(lái)應(yīng)向以下幾個(gè)方向發(fā)展：一是提高磁性元件的生物相容性，可以通過(guò)尋找并開(kāi)發(fā)新的磁性材料、對(duì)磁性顆粒的表面實(shí)行恰當(dāng)?shù)母材げ呗砸愿艚^其與人體相互作用從而減小影響以及尋找高效徹底的磁性材料回收手段來(lái)避免對(duì)機(jī)體的損傷；二是提高除磁性元件外的組成部分的生物相容性，提升整體的生物相容性；三是優(yōu)化材料的幾何結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成方案，減少磁化后各個(gè)部分之間的影響從而降低其操控難度；四是提高磁性材料的抗銹蝕、高溫穩(wěn)定性、pH 穩(wěn)定性等性能，避免隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在不同環(huán)境的影響下出現(xiàn)磁性減退的情況。