中山大学，Nature Materials！

在人体深部组织（器官或腔室）中进行生化检测，对于识别癌症或感染性疾病具有重要意义。传统的组织活检方法不仅具有破坏性，而且无法实现在目标组织中的原位检测。近年来，随着软电子导管技术的发展，其在精准定位和测量生物信息方面展现出巨大潜力。然而，现有的电子导管大多依赖手动扭转进行导航，效率低下且不可预测，尤其是在狭窄和弯曲的路径中。磁控导管因其能够在复杂环境中实现远程可控的主动导航而备受关注，但如何将多模态传感组件与磁控导管集成，同时保持其灵活性和可控性，一直是亟待解决的问题。

成果简介

近日，中山大学谢曦、蒋乐伦等人成功开发了一种磁控多模态生物电子导管（MMBC），利用四维多通道打印技术，实现了在狭窄环境中的主动导航以及原位多代谢物传感。该导管由超柔性多通道铁磁导管（UMFC）和多通道微电极组成，能够同时检测八种类型的生化分析物，如肌酐（Crea）、尿酸（UA）、H₂O₂、肾上腺素（Ep）、K⁺、Na⁺、Ca²⁺和pH。通过在兔和猪模型上进行的肾静脉和肠道介入手术，验证了MMBC的功能性，展示了其在微创手术中的巨大潜力。

设计与多通道打印

MMBC的主体部分UMFC采用了“多通道-护套”结构，由均匀分散的NdFeB纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质组成，其中嵌入的EGaIn液态金属通道用于为不同微电极提供灵活的电传导。研究团队开发了四维打印设备，通过多喷嘴一次性完成UMFC的打印。多喷嘴包括一个大外喷嘴和七个内喷嘴，分别用于挤出磁活性墨水和液态金属。通过调整液态金属与磁活性墨水的挤出速度比（V*）和打印速度（K），实现了连续的多通道结构。

磁性、机械与电学性能

通过微计算机断层扫描（CT）观察了UMFC的内部结构，发现其具有清晰的边界和均匀分布的NdFeB颗粒。在不同PDMS与NdFeB比例的磁活性墨水中，随着NdFeB含量的增加，UMFC的最大变形角增大，但其最大拉伸应变降低。在1:2（w/w）比例下，UMFC展现出最佳的综合性能。此外，UMFC在动态弯曲、拉伸和扭转下表现出稳定的电学性能，即使在极端的pH值和温度变化下，电阻变化也小于15%。

图|UMFC的性能特性

电化学传感与药物输送

MMBC的微电极能够对多种分析物进行电化学传感。实验结果表明，Crea、UA、H₂O₂和Ep微电极在检测相应分析物时具有良好的灵敏度和选择性。离子分析物（如K⁺、Na⁺、Ca²⁺和pH）的检测也表现出高灵敏度和低干扰。此外，MMBC的中心空心通道可用于可控的药物输送。在不同的弯曲模式下，药物输送效果受到一定影响，但在高流速下，药物输送较为稳定。在1小时的侧向和垂直摇摆测试中，药物泄漏量极小，几乎可以忽略不计。

图|MMBC的电化学传感和药物输送

磁控导航

MMBC的磁控导航基于外部磁场（Bact）产生的磁扭矩（Tmag）和导管自身的弹性扭矩（Tela）之间的平衡。通过有限元分析，研究了不同通道数量和磁活性墨水配方对MMBC变形能力的影响。实验结果表明，MMBC能够在复杂的三维空间中实现精确的导航和定位。在模拟人体肾脏血管的3D打印模型中，MMBC成功导航至所有目标点，展示了其在复杂血管网络中的导航能力。

图|MMBC的磁控导航演示

体内传感与微创手术

在急性肾衰竭（ARF）兔模型中，MMBC在肾静脉和肠道中实现了原位生物传感。实验结果表明，MMBC能够准确检测到与ARF相关的代谢分析物和离子分析物的浓度变化，与商业生化分析仪的参考值具有良好的一致性。在猪模型中，通过C臂荧光镜和数字减影血管造影技术实时观察MMBC在血管内的动态运动。MMBC成功地从下腔静脉导航至肾静脉的各个分支，并在目标位置实现了多种分析物的原位检测和对比剂的靶向输送，验证了其在微创手术中的应用潜力。

图|MMBC在兔模型上的体内传感性能

图|猪模型上的体内微创手术

小结

本研究开发的磁控多模态生物电子导管（MMBC）在微创手术和体内传感领域展现出巨大的应用前景。通过四维多通道打印技术，MMBC实现了在复杂环境中的主动导航和多代谢物传感。其在动物模型中的成功应用证明了其在原位诊断和局部药物治疗方面的潜力，为未来微创手术技术的发展提供了新的思路和工具。

参考文献：

Yang, J., Zhang, Y., Liu, Z. et al. Magnetically actuated multimodal bioelectronic catheter for minimally invasive surgery and sensing. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02340-5