技術(shù)文章
Technical articles血栓癥是一種常見的血管內(nèi)疾病,具有多種臨床表現(xiàn)和并發(fā)癥,例如心梗、中風(fēng)及肺栓塞等,嚴(yán)重危害病人的生命健康及生活質(zhì)量。傳統(tǒng)治療方案常先通過注射溶栓藥物或?qū)Ч芙槿爰夹g(shù)去除血栓,接著使用抗凝藥物預(yù)防二次堵塞。然而溶栓藥物缺乏靶向性,無法主動在血栓部位富集,且高濃度的藥物易引發(fā)內(nèi)出血和血壓波動,因此難以高效安全地完成去除血栓的任務(wù)。導(dǎo)管介入技術(shù)則對操作者的經(jīng)驗(yàn)和判斷能力要求較高,操作不當(dāng)容易損傷血管,甚至造成二次堵塞。近年來,小尺度機(jī)器人系統(tǒng)在狹窄閉塞的生物環(huán)境中展現(xiàn)出令人矚目的應(yīng)用前景,已有研究人員開發(fā)出可破壞血栓結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人。然而,如何在動態(tài)血流環(huán)境中實(shí)現(xiàn)小尺度機(jī)器人的可控靶向遞送和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn),這大大限制了它們在血栓治療中的進(jìn)一步應(yīng)用。
近日,香港中文大學(xué)張立教授課題組王乾乾博士、杜星洲博士、金東東博士提出一種基于小尺度機(jī)器人的血栓定位及加速溶栓方案。螺旋形微機(jī)器人采用3D打印工藝制造,采用動態(tài)磁場進(jìn)行自動化遞送,同時(shí)采用超聲成像進(jìn)行實(shí)時(shí)的機(jī)器人定位及環(huán)境監(jiān)測。機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)定位血栓位置,并加速血栓的溶解。這項(xiàng)研究有望為血栓癥的監(jiān)測和治療提供新的思路,同時(shí)也為小尺度機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟道路。相關(guān)研究結(jié)果以“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow”為題發(fā)表于期刊《ACS Nano》。
該工作使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印了螺旋形微機(jī)器人,并預(yù)留磁性物質(zhì)的嵌入空間。微機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)采用摩方精密提供的polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材料,機(jī)器人尺寸為直徑2.15 mm、長度7.30 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,螺旋形機(jī)器人在血液環(huán)境及血流環(huán)境中表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,在溶除血栓任務(wù)結(jié)束后能保持完成的整體結(jié)構(gòu)并被回收。該打印設(shè)計(jì)方案可根據(jù)需求進(jìn)行尺寸縮放,以期應(yīng)用于不同的狹窄生物環(huán)境中。
在機(jī)器人系統(tǒng)搭建完成后,研究人員在測試平臺中驗(yàn)證了醫(yī)學(xué)圖像引導(dǎo)機(jī)器人遞送、溶栓方案的可行性。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)以及機(jī)器人誘導(dǎo)產(chǎn)生的多普勒超聲信號,研究人員在類血管復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中成功實(shí)現(xiàn)血栓堵塞部位的定位。機(jī)器人在磁場驅(qū)動下能夠產(chǎn)生強(qiáng)對流加速溶栓因子的物質(zhì)交換,同時(shí)對血液-血栓界面施加剪切力促進(jìn)溶栓產(chǎn)物的去除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相對于單純使用溶栓藥劑,該方案可大幅提高血管的疏通效率(約4倍),*溶栓率提高至350%,且不產(chǎn)生明顯的血栓碎片,降低了二次堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。配合不同尺寸的小尺度機(jī)器人,該方案可根據(jù)需要應(yīng)用于不同直徑的血管中,有望為外場驅(qū)動的小尺度機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的思路。
圖 1.螺旋形機(jī)器人在動態(tài)、類血管環(huán)境中的自動化導(dǎo)航整體方案。
圖 2.螺旋形機(jī)器人在血流環(huán)境中的受力分析及磁控。
圖 3. 機(jī)器人誘導(dǎo)的多普勒信號的仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖 4. 機(jī)器人在類血管系統(tǒng)中的自動化導(dǎo)航(逆流而上及順流而下)及實(shí)時(shí)定位。
圖 5. 多普勒信號引導(dǎo)的血栓定位及加速溶栓應(yīng)用。