磁性黏附材料和磁性軟體材料在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用綜述

李 銳，王娟娟，劉揚宇軒，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外部磁場作出某種反應(yīng)方式的材料。它的優(yōu)點主要包括兩個方面：一是磁力，在磁力的作用下，磁性材料可以通過外部的非接觸手段接受操縱完成指令，以及在兩個或多個磁性材料組成的磁性元件之間基于磁極所產(chǎn)生的對點吻合效應(yīng)；二是磁場，磁性材料所具有的磁場可以對藥物和細胞產(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、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)用于臨床實踐和生物醫(yī)學(xué)研究當中[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)計的磁性器械或設(shè)備，通過磁性物質(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[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)療實踐和研究中展現(xiàn)出了它們巨大的優(yōu)勢和應(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，但它們在材料的物理性質(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、柔軟、可變形的材料，這些材料在外加磁場的作用下可以改變形狀，甚至產(chǎn)生運動?？偟膩碚f，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)注于通過其黏附其他物體的能力來實現(xiàn)黏附、固定的目的；磁性軟體材料則更加關(guān)注通過其變形、運動的能力來實現(xiàn)一些功能。目前研究者們開發(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，為進一步開發(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展其應(yīng)用場景提供思路。

1 磁性黏附材料研究進展

黏附材料是指可通過特別的機械結(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動能力的物體在磁場的作用下進行受迫運動或因為磁極的相互吸引而使得2 個物體進行對點吻合。基于此，Yang 等[13]開發(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驅(qū)動的能力，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的尺寸大小。在對磁性薄膜進行定向磁化后，被黏附的物體在操縱磁場作用下可以進行運動。該磁性噴霧在構(gòu)建無線驅(qū)動的微型機器人、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)療實踐中會用到黏合劑的場合也不在少數(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，更加完美地填補應(yīng)用傳統(tǒng)牙科黏合劑時會存在于牙本質(zhì)和黏合劑之間的空隙，消除了可能使細菌滋生的空間，降低了在第一次修補后可能繼發(fā)出現(xiàn)的牙本質(zhì)再次損傷風險[26]，減小了患者二次修補的概率。

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

1.2 用于制作酶、細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，通過固定化技術(shù)將酶進行固定可以改善自由酶的許多缺點，實現(xiàn)酶的回收和重復(fù)使用，達到連續(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]。用磁性黏附材料來進行酶的固定化，可以通過磁性顆粒產(chǎn)生的磁場改變被固定的酶所處的微環(huán)境來促進其催化效率[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，具有更高的負載率、更強的pH 穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且在長時間保存（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。

無論是在臨床實踐還是研究中，檢測技術(shù)都是必不可少的，開發(fā)高效、高靈敏度、高準確度的檢測裝置一直是一項研究熱點。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，可用于測定人血清中的葡萄糖和膽固醇含量。除了檢測人體基本生理指標，在臨床檢驗中，對一些特異性指標的檢驗如用酶聯(lián)免疫吸附（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）法檢測抗體水平對多種疾病如病毒、寄生蟲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，所需時間長。Huergo 等[36]將磁性納米顆粒作為報道分子的載體或檢測抗體的載體，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。同時由于磁性納米顆粒在磁場作用下的定向移動，加速了樣本中生物分子的運動，縮短了免疫復(fù)合物形成的時間，加快了檢驗速度。盡管如此，這種方法在小于30 min 的臨床樣本檢測中靈敏度仍然不高。為了克服這一問題，Singampalli等[37]研制了一種附著辣根過氧化物酶和偶聯(lián)辣根過氧化物酶的檢測抗體的磁性納米顆粒，進而設(shè)計了一種快速磁性ELISA 法，這一方法增加了靶抗原結(jié)合點位，同時通過辣根過氧化物酶促進酶促反應(yīng)的進行和信號擴增，成功實現(xiàn)了在短時間內(nèi)對大量樣本的檢測，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，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氧化物酶相結(jié)合，構(gòu)建了一種具有中性粒細胞性能的材料，通過驅(qū)動磁場的作用將該材料定向運輸?shù)侥[瘤附近后通過特定的磁場激發(fā)氯化過氧化物酶的活性，提高腫瘤微環(huán)境中過氧化物的含量，達到殺死腫瘤細胞、治療癌癥的目的。

1.2.2 用于細胞載體的磁性黏附材料

開發(fā)合適的載體平臺對于體外培養(yǎng)細胞、研究細胞行為、干細胞治療、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調(diào)控和影響細胞行為進而揭示某些疾病的發(fā)病機制或利用培養(yǎng)的細胞解釋某些生物學(xué)現(xiàn)象以及進行藥物實驗一直是研究界的熱點[41-42]。

磁性細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磁性顆粒所具有的磁熱效應(yīng)和磁場來改變細胞所處的微環(huán)境、胞內(nèi)信號分子轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達等來調(diào)控細胞行為，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)細胞，促進了培養(yǎng)的上皮細胞和癌細胞的多細胞球狀體的自發(fā)形成，為體外抗癌治療藥物的研究和新型磁熱療法的實現(xiàn)提供了新的平臺。

磁性細胞載體除了用于體外培養(yǎng)細胞外，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聚合物構(gòu)成的三維磁性復(fù)合膜具有十分適合組織細胞黏附和生長的三維結(jié)構(gòu)，并且細胞毒性很低，在負載姜黃素之后可以加速皮膚傷口的愈合，組織細胞的快速增殖或許也與磁性納米顆粒提供的磁場有關(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)動磁場下的定向移動來達到靶向運送藥物的目的，同時可以通過驅(qū)動磁場的控制來定點釋放或激活藥物，使藥物精準作用于病灶[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，通過磁場驅(qū)動將5-氟尿嘧啶靶向運送到腫瘤區(qū)域然后釋放，通過誘導(dǎo)癌細胞的凋亡來治療腫瘤。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?；旌隙傻拇判约{米凝膠材料，將順二胺二氯鉑搭載到磁性納米凝膠顆粒上，在磁場作用下將藥物運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載不同藥物如噻吩吡啶衍生物來進行腫瘤靶向治療。這些研究都局限于通過磁性顆粒在驅(qū)動磁場的驅(qū)動下的定向移動來靶向送藥，如果能夠探究磁場對藥物和組織的作用，或許能夠開發(fā)出類似于各種光動力治療的對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，在磁性載體上負載不同的藥物就能達到不同的效果，如單寧橋接的磁性水凝膠[52]可用于促進傷口的愈合，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血管內(nèi)皮細胞生成，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同樣具有促進傷口愈合的功能。

不同的磁性顆粒與不同的有機或無機聚合物交聯(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)和影響因素仍待進一步探索。部分磁性黏附材料的組成成分見表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題，當被應(yīng)用于體內(nèi)時，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。即使通過回收來規(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。當被作為細胞載體材料使用時，磁性顆粒也具備一定的細胞毒性，或是提供的磁場強度過弱達不到要求，并且其提供的磁場可能會因為高溫、銹蝕等影響而減弱甚至消失，從而影響實驗或檢驗的結(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策略仍然是亟待解決的問題。

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[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]，在進行會接觸到人體組織的操作中，如胃腸鏡、外科手術(shù)時[57-59]，軟體材料可以產(chǎn)生順應(yīng)組織器官形狀的變形，最大限度地減少對人體的損傷。而磁性軟體材料可以通過磁場的驅(qū)動或磁熱效應(yīng)使材料主動產(chǎn)生變形[60]，不僅擴大了順應(yīng)變形的優(yōu)點，更為構(gòu)建軟體機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、納米級）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單，但傳統(tǒng)的用來牽拉組織的器械常會給被牽拉組織帶來損傷從而導(dǎo)致炎癥與組織黏連進而影響手術(shù)預(yù)后。因此，如何溫柔地進行組織牽引一直是一項研究熱點。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，通過磁場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，以用于非肌層浸潤性膀胱癌切除。這樣可以使手術(shù)視野得到擴展，同時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，并未對被牽引部分的黏膜造成較大的機械損傷，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變形來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輔助這些器官的變形從而進行輔助治療。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)動方式如圖4 所示）。在豬的體內(nèi)測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，比如患者可按自主意愿進行排尿而且感染風險也會降低。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)過導(dǎo)管來進行的，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)管可以在磁場作用下主動地進行彎曲，從而減少對血管壁的損傷，并實現(xiàn)對病變部位進行精準治療。

圖4 不同磁性軟體材料在磁場驅(qū)動下的運動示意圖

軟體材料也被廣泛用于構(gòu)建軟體機器人[66]，磁性軟體材料的研究開發(fā)進一步促進了軟體機器人的構(gòu)建，由于驅(qū)動磁場的驅(qū)動使得軟體機器人擁有了更靈活的變形能力和運動能力，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?；谏鲜鎏攸c，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算公式，以實現(xiàn)對不同形狀的微型磁控機器人的磁化模式和驅(qū)動場的自動編程，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3D 打印的墨水，并通過多材料墨水直寫技術(shù)將磁性軟體材料與柔性傳感器一步集成，賦予了磁性軟體機器人溫度、觸覺以及電化學(xué)感知能力，彌補了傳統(tǒng)磁性軟體機器人無法感知環(huán)境的缺點。將這一磁性軟體機器人應(yīng)用于靶向給藥，通過傳感器的反饋可以及時調(diào)整磁性軟體機器人的姿態(tài)以適應(yīng)人體內(nèi)的腔隙，并通過電化學(xué)傳感器評價藥物釋放的情況，對給藥效果進行定量評價。

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)測患者的部分臨床指標。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時監(jiān)測的能力，且對人體的刺激性小，可以用于制作柔性傳感器以用于健康檢測。

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的驅(qū)動下可以提起自身質(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部分，實現(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)雜的變形從而實現(xiàn)精細的操作，但對驅(qū)動磁場的要求也隨之升高。

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)常依賴于機械推進以及管腔壁的擠壓進行被動屈曲，這樣常導(dǎo)致患者不適，也容易對管腔壁造成機械損傷。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)窺鏡可以在磁場的驅(qū)動下主動地進行變形以適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜的管腔情況，減少了對管腔壁的擠壓，擴大了視野范圍。

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，用該軟管套住無關(guān)的腸管，通過外置磁場的牽引將腸管拉開暴露手術(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，而且大大降低了對被牽拉器官造成額外損傷的概率（驅(qū)動方式如圖4 所示）。

肥胖是一種全球性的慢性代謝性疾病，研究者們開發(fā)了多種治療手段來改善機體肥胖。其中有一種在胃內(nèi)放置氣囊來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，可用外部磁場吸引處于胃中膠囊內(nèi)的磁性元件，通過磁性元件的運動從而使膠囊口開放，胃酸進入膠囊內(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，使用體積相對較大的磁性元件所構(gòu)建的軟體材料不可避免地帶來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)降低了對外置驅(qū)動磁場的要求，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)定性的問題。因為常用的作為磁性元件的金屬或合金都對人體或多或少存在一些毒性。對于作為一個整體而言的磁性軟體材料，如何避免當材料內(nèi)部存在多個磁化方向時各個部分在磁場的作用下相互影響而導(dǎo)致預(yù)期外的運動也是一個亟須解決的問題。

3 結(jié)語與展望

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磁場響應(yīng)或本身具備磁場的特點，在醫(yī)療研究和應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。磁性黏附材料根據(jù)所附著物質(zhì)的不同可以實現(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的驅(qū)動下間接進行運動。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。

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

將磁性材料運用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，探究磁場具有的生物學(xué)效應(yīng)或許可以為某些疾病的臨床治療提供思路，也可以通過磁場開發(fā)出新的研究方法。對于磁性黏附材料和磁性軟體材料而言，為了進一步提高其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用效果，未來應(yīng)向以下幾個方向發(fā)展：一是提高磁性元件的生物相容性，可以通過尋找并開發(fā)新的磁性材料、對磁性顆粒的表面實行恰當?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避免對機體的損傷；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，避免隨著使用時間的延長，在不同環(huán)境的影響下出現(xiàn)磁性減退的情況。