近年来，微/纳米机器人(MNRs)由于体积小、可外部导航等优点，在医疗应用方面特别是血管微创靶向治疗中显示出巨大的潜力。微纳机器人被视为没有盲点的虚拟外科医生，可以执行细胞水平的程序，也可以作为了解生物环境的传感器。临床应用中，在有限的三维空间中如何精确和高效地导航微纳机器人的运动是一项关键要求。
目前微纳机器人的血管靶向治疗存在两个重要瓶颈：一是MNRs的正确设计，二是MNRs抵达目标的导航。然而现有的动力学模型仅适用于标准的MNR（螺旋截面为圆形且螺旋半径保持一致的特殊螺旋结构），标准MNR又基于所谓的抗力理论（RFT）。RFT理论对螺旋运动微纳机器人行为预测的准确性较差，远远达不到临床使用的需求；同时基于RFT模型的MNRs经验设计还存在诸多挑战，包括建立用于培训MNRs的动物试验平台的高成本、培训MNRs的时间长、靶向治疗临床交付失败的高风险等。因此，迫切需要发展一种新的理论及其数学模型，以获得一个正确的设计，以显著提高血管靶向治疗的临床应用。
基于考虑血管内螺旋微/纳米机器人（MNRs）的临床使用场景，提出了一种适用于一般或非标准螺旋状MNRs的高精度动态模型，也适用于特殊或标准的螺旋状MNRs。该模型基于MNRs的运动状态和行为与血液介质的流动状态和行为相互影响而建立，这个理论被称为流固相互作用理论(FSI)。FSI理论相比上文提到的RFT模型，天然地消除了螺旋形状限制、流体相互作用限制等假设，提升了对MNRs行为预测的准确性。
为了验证所提出的FSI模型，本研究将所提出的FSI模型仿真结果与标准MNR的RFT模型仿真结果进行了两个实验比较，第一个实验结果表明，FSI模型有希望更好地设计一般的MNRs，并最终促进MNR在血管中的导航；第二个实验结果表明，FSI模型具有很高的潜力，可以帮助医生在流体介质中定位MNRs。本研究还通过FSI模型进行了参数化研究，以检查流体的瞬态行为以及MNRs表面应力的变化，这些信息有助于在临床环境中通过定制个体患者来规划MNRs的导航，也有助于了解血液在与MNRs相互作用时的行为，例如血管堵塞等，从而预防MNRs靶向治疗中引起的并发症。
本研究的科学贡献是提供了受限流体通道中MNRs的FSI理论以及一般MNRs的FSI模型。FSI模型是进一步探索血液与血管中MNRs相互作用时的状态和行为不可缺少的工具。该工具具有很大的潜力，可以显著提高血管中MNRs靶向治疗的质量，并最终使这种治疗在临床上可行。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51518-z
