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  • 抢救中风!这个机器人能穿过大脑的血管

     

    导语:中风后,能能迅速把堵住的血管疏通,会非常有利于后续治疗,这个机器人或许是紧急治疗的好方法!  麻省理工学院的工程师开发了一种磁性可


     
    中风后,能能迅速把堵住的血管疏通,会非常有利于后续治疗,这个机器人或许是紧急治疗的好方法!
     
      麻省理工学院的工程师开发了一种磁性可操纵的螺纹状机器人,可以主动滑行通过狭窄的蜿蜒路径(例如大脑的labrynthine脉管系统)。
     
      在未来,这种机器人线程可以与现有的血管内技术配对,使医生能够远程引导机器人通过患者的脑血管,以快速治疗例如动脉瘤和中风中发生的阻塞和病变等疾病。
     
      “中风是导致死亡的五大原因,也是美国残疾的主要原因。如果急性卒中可以在前90分钟左右治疗,患者的生存率可能会显着增加,”麻省理工学院的机械工程和土木与环境工程的赵玄和副教授表示。“如果我们能够在这个'黄金时段'设计一种能够逆转血管阻塞的装置,我们就有可能避免永久性脑损伤,这是我们的初衷。”
     
      赵和他的团队,包括主要作者Yoonho Kim,麻省理工学院机械工程系的研究生,在“ Science Robotics ”杂志上描述了他们的软机器人设计。该论文的其他合著者是麻省理工学院的德国研究生Alberto Parada和交换(访问)生刘圣多。
     
      具有润滑水凝胶皮肤的磁性软连续体机器人的视频导航脑血管系统的3D模型:
     
    (图片来源:Kim et al., Sci. Robot. 4, eaax7329 (2019))
     
      为了清除大脑中的血凝块,医生经常进行血管内手术,这是一种微创手术,其中外科医生通过患者的主动脉(通常在腿或腹股沟)插入细线。在使用X射线同时对血管成像的荧光镜的指导下,外科医生随后手动将导线旋转到受损的脑血管中,然后可以沿着导线将导管穿过,以将药物或凝块取出装置输送到受影响的区域。
     
      Kim说,这个程序可能会造成身体上的负担,要求必须接受专门培训的外科医生,同时患者要忍受透视检查(ct)的反复辐射照射。“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患者服务,特别是在郊区或农村地区,”Kim说。
     
      同时原先在这种医疗程序中使用的医疗导丝(The medical guidewires)是被动的,这意味着它们必须手动操作,并且通常由金属合金芯制成,涂有聚合物,Kim说,如果导丝线是暂时陷入一个特别狭小的空间,这种材料可能会产生摩擦并损坏容器衬里。
     
      不过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手术,包括导丝设计和减少医生接触任何相关辐射。在过去几年中,该团队已经建立了水凝胶生物相容性材料的专业知识 - 生物相容性材料主要由水和3D打印的磁力驱动材料制成,可以设计成爬行,跳跃,甚至接球,简单地通过跟随磁铁的方向。
     
      在这篇新论文中,研究人员将他们在水凝胶和磁力驱动方面的工作结合起来,生产出一种磁性可操纵的水凝胶涂层机器人螺纹或导丝。它们能够做得足够薄,从而能以磁性引导通过真人大小的硅胶复制品大脑的血管。
     
      而机器人螺纹的核心是由镍钛合金或“镍钛醇”制成的,镍钛合金是一种既柔韧又有弹性的材料。有点像与衣架在弯曲时保持形状但又不同的是,镍钛诺金属丝会恢复原来的形状,使其在缠绕穿过狭窄、弯曲的血管时更具灵活性。研究小组用橡胶膏或墨水将金属丝芯包裹起来,并将其嵌入磁性粒子中。
     
      最后,他们使用了他们之前开发成熟的化学工艺,用磁性涂层涂覆和粘合磁性覆盖物 - 这种材料不会影响下面的磁性颗粒的响应性,同时为导线提供光滑,无摩擦,生物相容的表面。
     
      他们展示了机器人线程的精确度和激活,通过使用一个大磁铁,就像木偶的弦,使线穿过一个小环的障碍路线,让人联想到穿过针眼的线程。研究人员还测试了大脑主要血管的真人大小的硅胶复制品中的线,包括凝块和动脉瘤,模拟了实际患者大脑的CT扫描。研究小组在硅胶容器中加入模拟血液粘度的液体,然后手动操作模型周围的大磁铁,使机器人通过血管缠绕的窄路径。
     
      Kim说,机器人线程可以被功能化,这意味着可以添加功能,例如提供减少凝块的药物或用激光打破阻塞。为了演示后者,该团队用光纤替换了线程的镍钛合金核心,发现一旦机器人到达目标区域,它们就可以磁性操纵机器人并激活激光器。
     
      当研究人员对机器人线涂层与未涂层水凝胶进行比较时,他们发现水凝胶使螺纹具有急需的光滑优势,使其能够在更紧凑的空间内滑行而不会卡住。在血管内手术中,当螺纹通过时,这种特性对于防止血管衬里的摩擦和损伤是关键。
    (图片来源:Kim等,Sci. Robot. 4, eaax7329 (2019))
     
      这个新的机器人线程如何让外科医生无辐射?Kim说,磁导导线不需要外科医生将电线穿过患者的血管。这意味着医生也不必非常靠近患者,更重要的是,也不用接触辐射产生荧光镜。
     
      在不久的将来,他设想结合现有磁性技术的血管内手术,例如成对的大磁铁,医生可以从手术室外操作的方向,远离荧光镜成像患者的大脑,甚至是完整的不同的位置。
     
      “现有平台可以施加磁场并同时对患者进行透视检查,医生可以在另一个房间,甚至在不同的城市,用操纵杆控制磁场,”Kim说。“我们希望利用现有技术在下一步测试我们的体内机器人线程。”

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