机器丝被设计成可以穿过大脑的血管

麻省理工学院(MIT)的工程师们已经开发出一种可磁操纵的、线状机器人,它可以在狭窄、蜿蜒的道路上积极滑行,比如大脑中不稳定的血管系统。

在未来,这种机器人线可能与现有的血管内技术相结合,使医生能够远程引导机器人穿过病人的脑血管,快速治疗阻塞和病变,比如动脉瘤和中风。

“在美国,中风是第五大死因,也是致残的主要原因。麻省理工学院机械工程和土木与环境工程副教授赵宣和表示:“如果急性中风能在头90分钟左右得到治疗,患者的存活率可能会显著提高。”“如果我们能设计一种装置,在这‘黄金时间’内逆转血管堵塞,我们就有可能避免永久性的脑损伤。这是我们的希望。”

赵和他的团队,包括第一作者、麻省理工学院机械工程系研究生金允浩(Yoonho Kim)在内,今天在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上描述了他们的软机器人设计。论文的其他共同作者是麻省理工学院的研究生德国人阿尔贝托·帕拉达和访问学生刘胜铎。

处于困境

为了清除大脑中的血块,医生通常会进行血管内手术,这是一种微创手术,医生会在病人的主动脉(通常在腿部或腹股沟)上插入一根细导线。在一个荧光镜的指导下,外科医生用x射线同时成像血管,然后手动旋转导线进入受损的脑血管。然后可以沿着导线穿入导管,将药物或血凝块回收设备输送到受影响的区域。

金姆说,这种手术可能会带来体力上的负担,需要外科医生承受多次透视带来的辐射,他们必须在这项工作上接受专门训练。

“这是一项要求很高的技能,而且根本没有足够的外科医生为病人服务,尤其是在郊区或农村地区,”Kim说。

此类程序中使用的医疗导是被动的,这意味着他们必须手动操纵,和通常由金属合金的核心,在聚合物涂层,金材料,说可能产生摩擦,损坏容器衬里如果线暂时困在一个特别狭小空间。

该团队意识到,他们实验室的发展可以帮助改善这种血管内程序,无论是在导丝的设计上,还是在减少医生接触任何相关辐射方面。

线程一根针

在过去的几年里,该团队已经在水凝胶(主要由水和3d打印的磁性驱动材料制成的生物相容材料)和3d打印磁性驱动材料方面积累了专业知识。水凝胶可以通过简单地沿着磁铁的方向爬行、跳跃,甚至是接住一个球。

在这篇新论文中,研究人员将他们在水凝胶和磁致动方面的工作结合起来,制造出了一种可磁操纵的、涂有水凝胶的机器人螺纹,或导丝。

机器人螺纹的核心由镍钛合金或“镍钛合金”制成,这种材料具有弯曲性和弹性。不像衣架在弯曲时会保持它的形状,镍钛诺线会回到它原来的形状,使它在穿过紧而弯曲的容器时更有灵活性。研究小组将铁丝的核心涂上一层橡胶糊或油墨,并在其中嵌入磁性颗粒。

最后,他们使用了之前开发的一种化学工艺,将磁性覆盖层涂覆并与水凝胶结合——水凝胶是一种不影响底层磁性颗粒响应性的材料,但却为金属丝提供了光滑、无摩擦、生物相容的表面。

他们用一块大磁铁(很像木偶的线)来控制线穿过由小圆环组成的障碍物,这让人想起一根穿过针眼的线。

研究人员还在大脑主要血管(包括血栓和动脉瘤)的真人大小的硅胶复制品中测试了这条线,该复制品是模仿真实病人大脑的CT扫描结果制作的。研究小组用模拟血液黏度的液体填充硅胶血管,然后手动操纵模型周围的一块大磁铁,引导机器人通过血管弯曲狭窄的路径。

金姆说,机器人的螺纹可以被功能化,这意味着可以添加一些功能,例如,输送降凝血药物或用激光打破堵塞。为了证明后者,研究小组用一根光纤替换了螺纹的镍钛合金芯,他们发现,一旦机器人到达目标区域,他们就可以用磁力操纵机器人并激活激光。

当研究人员对涂有水凝胶的机器人螺纹和没有涂有水凝胶的螺纹进行比较时,他们发现水凝胶给了螺纹一个急需的、光滑的优势,允许它在更紧的空间里滑动而不会卡住。在血管内手术中,这一特性对于防止螺纹穿过时对血管衬里的摩擦和损伤至关重要。

首尔国立大学(Seoul National University)机械工程学教授Kyujin Cho表示:“外科手术面临的挑战之一,是能够在大脑中复杂的血管中导航。大脑的直径非常小,商用导管无法到达。”“这项研究已经显示出克服这一挑战的潜力,并使无需开腹手术的脑部手术成为可能。”

而这种新型的机器人丝又如何让外科医生免受辐射呢?金姆说,一根可磁操纵的导丝使外科医生不再需要用身体将一根导丝穿过病人的血管。这意味着医生也不必离病人很近,更重要的是,不用离放射荧光镜很近。

在不久的将来,他设想血管内手术可以结合现有的磁性技术,比如一对大磁铁,医生可以在手术室外操纵磁铁的方向,远离对病人大脑的透视成像,甚至在一个完全不同的位置。

“现有的平台可以同时对病人施加磁场并进行透视,医生可以在另一个房间,甚至在另一个城市,用操纵杆控制磁场,”Kim说。“我们希望在下一步利用现有技术在体内测试我们的机器人丝。”

这项研究部分由海军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所和国家科学基金会资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/robot-brain-blood-vessels-0828

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