Эта роботизированная нить предназначена для скольжения внутри кровеносных сосудов мозга

Инженеры Массачусетского технологического института разработали магнитоуправляемого нитевидного робота, который может активно скользить по узким извилистым путям, таким как лабиринтная сосудистая сеть мозга.

В будущем эта роботизированная нить может быть соединена с существующими эндоваскулярными технологиями, позволяя врачам удаленно направлять робота через сосуды головного мозга пациента для быстрого лечения закупорок и повреждений, таких как те, которые возникают при аневризмах и инсульте.

«Инсульт является причиной смерти номер пять и основной причиной инвалидности в Соединенных Штатах. Если острый инсульт можно лечить в течение первых 90 минут или около того, показатели выживаемости пациентов могут значительно возрасти», – говорит Сюаньхэ Чжао, доцент машиностроение и гражданского и экологического проектирования в MIT. «Если бы мы могли разработать устройство, чтобы обратить вспять закупорку кровеносных сосудов в течение этого« золотого часа », мы могли бы избежать постоянного повреждения мозга. Это наша надежда».

Чжао и его команда, в том числе ведущий автор Yoonho Kim, аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института, рассказывают о своей мягкой роботизированной конструкции в журнале Science Robotics . Другими соавторами статьи являются аспирант Массачусетского технологического института Герман Альберто Парада и приглашенный студент Шэндуо Лю.

Чтобы очистить сгустки крови в головном мозге, врачи часто выполняют эндоваскулярную процедуру, минимально инвазивную операцию, при которой хирург вводит тонкий провод через основную артерию пациента, обычно в ногу или пах. Руководствуясь флюороскопом, который одновременно снимает кровеносные сосуды с помощью рентгеновских лучей, хирург затем вручную поворачивает провод в поврежденный сосуд головного мозга. Затем по проволоке можно навинчивать катетер для доставки лекарств или устройств в пораженную область.

Ким говорит, что процедура может быть физически сложной, требуя от хирургов, кроме высокой квалификации, выдерживать вторичное облучение от рентгеноскопии.

«Это сложный навык, и пациентам просто не хватает хирургов. Особенно ощущается нехватка квалифицированных в этой области специалистов в пригородных или сельских районах», – говорит Ким.

Медицинские проводники, используемые в таких процедурах, являются пассивными, то есть ими нужно манипулировать вручную, и обычно они сделаны из сердечника из металлических сплавов, покрытых полимером, материалом, который, по словам Ким, может вызвать трение и повредить футеровку сосуда, если проволока застрять в особенно тесном месте.

Команда поняла, что разработки в их лаборатории могут помочь улучшить такие эндоваскулярные процедуры, как в дизайне проводника, так и в уменьшении воздействия на врачей любого связанного излучения.

За последние несколько лет команда накопила опыт работы с обоими гидрогелями – биосовместимыми материалами, изготовленными в основном из воды, – и с магнитно-активированными материалами с трехмерной печатью, которые могут быть спроектированы для ползания, прыжка и даже ловли мяча, просто следуя направлению магнита.

В этой новой статье исследователи объединили свою работу в гидрогелях и в магнитном приводе, чтобы создать управляемую магнитом роботизированную нить с гидрогелевым покрытием или проволочную направляющую, которую они смогли сделать достаточно тонкими, чтобы магнитно провести через силиконовую копию в натуральную величину кровеносных сосудов мозга.

Сердцевина роботизированной нити изготовлена из никель-титанового сплава, или «нитинола», изгибающегося и упругого материала. Нитиноловая проволока после сгибания вернется к своей первоначальной форме, что даст ей большое преимущество при прохождении через узкие извилистые сосуды. Команда покрыла сердечник провода резиновой пастой, которые они покрыли магнитными частицами.

Наконец, они использовали химический процесс, разработанный ранее, чтобы покрыть и связать магнитное покрытие с гидрогелем – материалом, который не влияет на чувствительность нижележащих магнитных частиц и в то же время обеспечивает проволоке гладкую, биосовместимую поверхность без трения ,

Они продемонстрировали точность и активацию нити робота с помощью большого магнита, очень похожего на нити марионетки, чтобы направить нить через полосу препятствий из маленьких колец, наподобие того как нить проходит сквозь игольное ушко.

Исследователи также проверили нить в силиконовой копии в натуральную величину основных кровеносных сосудов головного мозга, включая сгустки и аневризмы, смоделированные после компьютерной томографии головного мозга пациента. Команда заполнила силиконовые сосуды жидкостью, имитирующей вязкость крови, а затем вручную манипулировала большим магнитом вокруг модели, чтобы направить робота по извилистым узким траекториям сосудов.

Ким говорит, что роботизированная нить может быть функционализирована, а это означает, что могут быть добавлены функции, например, для доставки лекарств, уменьшающих сгусток, или для устранения засоров лазерным светом. Чтобы продемонстрировать последнее, команда заменила нитиноловое ядро нити оптическим волокном и обнаружила, что они могут управлять роботом с помощью магнитов, и активировать лазер, как только робот достигнет целевой области.

Когда исследователи провели сравнение между роботизированной нитью, покрытой и непокрытой гидрогелем, они обнаружили, что гидрогель дает столь необходимое преимущество, позволяя скользить сквозь более узкие пространства без застревания. В эндоваскулярной хирургии это свойство будет ключевым для предотвращения трения и повреждения стенок сосудов по мере прохождения нити.

И как эта новая роботизированная нить может защитить хирургов от радиации? Ким говорит, что магнитно-управляемый проводник устраняет необходимость для хирургов физически проталкивать провод через кровеносные сосуды пациента. Это означает, что врачам также не нужно находиться в непосредственной близости от пациента, и, что более важно, радиационный рентгеноскоп.

В ближайшем будущем он предвидит эндоваскулярные операции, которые включают существующие магнитные технологии, такие как пары больших магнитов, направлениями которых врачи могут манипулировать из-за пределов операционной комнаты, от рентгеноскопического изображения мозга пациента или даже в полностью другое место.

«Существующие платформы могут воздействовать магнитным полем и одновременно выполнять процедуру рентгеноскопии на пациента, и доктор может находиться в другой комнате или даже в другом городе, контролируя магнитное поле с помощью джойстика», – говорит Ким. «Мы надеемся использовать существующие технологии для тестирования нашей роботизированной технологии in vivo на следующем этапе».

Частично это исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований, Институтом солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и Национальным научным фондом (NSF).

Похожие новости