壳聚糖与聚己内酯共混PDMS涂层提高磁性弹性体的生物相容性

能够安全驻留体内的软体机器人

工程师们正在开发微小的软机器，它们可以在血管中蜿蜒前进、轻柔地挤压器官，或在受到磁场刺激时按需释放药物。这些装置必须像生物组织那样弯曲和运动，同时对周围细胞无害。本文所述的研究解决了一个关键障碍：如何防止嵌在这些软体机器人内部的强磁体在被体液包围后缓慢腐蚀并泄漏有毒金属。

为何强磁体会成为健康隐患

许多有前景的软体医疗器械通过在可拉伸的硅橡胶中嵌入强磁颗粒制成。这种组合使外部磁场能够在体内无需电线或电池的情况下使材料刚化或产生运动。但这些磁性颗粒由含钕和铁的合金制成，与像血液或组织液这样的含盐液体不相容。数周到数月内，金属表面会发生腐蚀并向周围液体释放带电金属碎片。在实验室测试中，这些碎片会迅速达到对动物细胞有害的浓度，如果不能将颗粒封闭起来，长期植入的路径就被阻断了。

为软磁体设计保护“皮肤”

研究团队旨在构建一层薄而柔韧的“皮肤”，将磁性核心包裹起来，作为抵御体液的屏障，同时不破坏其磁性能。他们选用了两种在医学上常见的塑料：壳聚糖——一种源自甲壳类外壳的糖基材料，具有天然抗菌特性；以及聚己内酯——一种用于可溶解植入物的缓慢降解聚酯。为了让这些材料能粘附在本来就光滑的硅橡胶上并随其弯曲而不致开裂，团队将每种材料与硅橡胶自身共混，并通过旋涂在磁性片材的两面形成大约相当于一根人发直径的层，构成类似三明治的结构。

将新涂层放入长时间浸泡试验

然后，带涂层与未带涂层的样品在接近半年时间里浸泡在加热到体温的含盐水中。科学家们跟踪了液体酸碱度、电学特性以及渗出的金属准确含量。未涂层时，磁体释放出的钕和铁足以轻易超过已知的毒性限值。单纯的硅橡胶层仅有微弱帮助，说明单靠这种橡胶仍然过于多孔，无法阻挡离子。相比之下，两种共混涂层都将金属释放量降低了超过95%。壳聚糖共混体在捕获钕方面尤其有效，这得益于其链上的化学基团能直接抓取并固定金属离子，使涂层成为一种主动过滤层，而非单纯的物理隔膜。

保持运动性能并抗菌

保护健康只是部分要求；材料还必须在施加磁场时能够运动。对样品在磁场下刚度变化的测量显示出明显的权衡。聚己内酯共混体几乎完全保留了与未涂层材料相同的刚度变化，这意味着它在阻止大部分离子的同时，基本不损失驱动能力。壳聚糖共混体则牺牲了大约一半的驱动力，但提供了对金属逸散最严密的封隔。针对红细胞和小鼠皮肤细胞的测试表明，所有涂层版本对活体组织均友好，血细胞损伤很小，表面细胞形态健康。在细菌测试中，涂层能强烈抑制一种常见医院病原体的生长，但一种常见真菌仍然形成顽固的生物膜，这表明在防真菌定植方面仍有挑战。

在最大安全性与最大力道之间的选择

综上所述，结果表明，通过添加合适类型的薄共混涂层，可以将充满磁性颗粒的硅橡胶——曾被认为不适合长期与体内接触——转变为一种更安全的软体医疗平台。聚己内酯版本提供了良好的平衡：它允许器件保持全部磁性“肌力”，同时将金属泄漏压到有害水平以下。壳聚糖版本在化学捕获游离离子方面更为强大，适合在安全性优先于力道的场景。经过进一步的动物测试和更有效的抗真菌策略，这些经涂层处理的磁性弹性体有望成为导管、给药胶囊及其他智能植入物中新一代无线软体驱动器的基础。

引用: Mystkowska, J., Łysik, D., Czerniakiewicz, A. et al. Chitosan and polycaprolactone blended PDMS coatings improve biocompatibility of magnetic elastomers. Sci Rep 16, 8545 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40085-6

关键词: 软磁驱动器, 生物相容性涂层, 壳聚糖, 聚己内酯, 可植入软体机器人