科學(xué)家成功打造了一款磁控線形機(jī)器人
這是一款可轉(zhuǎn)向的磁控線形機(jī)器人,可以在腦血管這樣的狹窄空間主動滑行,重要的是,這種血管造影導(dǎo)絲具有在迂曲血管中強(qiáng)大的穿越能力。
可以想象得到,將來醫(yī)生可以遠(yuǎn)程操控這種機(jī)器人,輔以現(xiàn)有的血管治療手段來治療腦阻塞和病變。這項來自麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授趙選賀(Xuanhe Zhao)團(tuán)隊的研究發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics )。
中風(fēng)即腦卒中,是中國人的頭號殺手。來自中國疾病預(yù)防控制中心的數(shù)據(jù)觸目驚心,我國現(xiàn)有中風(fēng)患者 7000 萬人,每年新發(fā)中風(fēng) 200 萬人,每 12 秒就有一個中國人發(fā)生中風(fēng)。醫(yī)學(xué)界認(rèn)為,如果能在發(fā)病后 90 分鐘內(nèi)進(jìn)行治療,患者的生存率會得到顯著增加。那么,如果能設(shè)計出在這個黃金時段內(nèi)阻止血管阻塞的裝置,就有可能避免腦組織的永久性損傷。
目前,醫(yī)院普遍采用的血管介入治療需要技術(shù)熟練醫(yī)生進(jìn)行操作。這是一種微創(chuàng)治療方式,僅需要在皮膚上開幾毫米大小的切口,在腿部或腹股溝主動脈處插入導(dǎo)管和導(dǎo)絲,目的是讓導(dǎo)管通過即可,之后醫(yī)生在X射線造影引導(dǎo)下,通過導(dǎo)管導(dǎo)絲前進(jìn)或旋轉(zhuǎn),待導(dǎo)管攜帶的支架到達(dá)病灶部位釋放后,再撤回導(dǎo)管導(dǎo)絲。
這個過程有不少問題。其一,人體血管彎曲且分支較多,尤其是腦血管更加細(xì)小復(fù)雜,長時間的手術(shù)過程中容易出現(xiàn)手術(shù)操作失誤。其二,醫(yī)生手術(shù)時往往穿厚重的防輻射鉛衣,這加重了醫(yī)生的負(fù)擔(dān),且這種防輻射的方法不能保證醫(yī)生完全避免輻射。其三,微創(chuàng)手術(shù)非??简炨t(yī)生的操作水平,能熟練操作手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于病患所需。在偏遠(yuǎn)城市或農(nóng)村地區(qū),這種現(xiàn)象尤為突出。
目前已經(jīng)有多種手術(shù)機(jī)器人研究旨在克服上述障礙。這些機(jī)器人利用磁導(dǎo)航、記憶合金、鋼絲繩索、液壓來控制導(dǎo)絲速度和方向。然而這些機(jī)器人都遇到小型化挑戰(zhàn),如今最先進(jìn)的線形機(jī)器人更多用于心臟和外周血管干預(yù),但無法用到血管更細(xì)小、更曲折的神經(jīng)外科。希望設(shè)計一款遠(yuǎn)程控制的微型導(dǎo)絲機(jī)器人,可以巡航復(fù)雜微小血管網(wǎng)絡(luò),也減少醫(yī)生受到的輻射。
這款導(dǎo)絲稱為鐵磁軟機(jī)器人,它由磁性軟材料構(gòu)成,其中磁化或可磁化的微粒均勻分布在軟質(zhì)聚合物基質(zhì)中,那么這就可以經(jīng)過打印或注塑得以實現(xiàn)亞毫米的小型化制造。同時,利用外部磁場可以精確控制這款軟機(jī)器人,讓它在血管內(nèi)蜿蜒爬行。
為了克服軟機(jī)器人在血管中穿越遇到的摩擦力,研究人員讓只有 10 微米到 25 微米厚度的水凝膠皮膚生長在機(jī)器人表面,因其是水合交聯(lián)聚合物,可有效降低表面摩擦。研究人員在血管模型中試驗發(fā)現(xiàn),機(jī)器人的水凝膠涂層可以讓導(dǎo)絲擁有光滑屬性,能夠在緊湊的血管內(nèi)滑行而不會卡住。相比之下,現(xiàn)有的手動導(dǎo)絲前進(jìn)中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦,在分叉處需要手動導(dǎo)向,其前進(jìn)速度比磁控軟體機(jī)器人慢很多,而且不容易到達(dá)復(fù)雜的微小血管分叉。
如今這個軟體機(jī)器人已經(jīng)在人體腦血管的硅膠模型上得到驗證,研究人員使用一塊大磁鐵,讓導(dǎo)絲穿針引線般精確到達(dá)了病灶區(qū)域。機(jī)器人導(dǎo)絲可以被賦予更多功能,比如遞送藥物或用激光破壞掉血凝塊。研究人員可以用光纖替換掉鎳鈦合金核芯,這樣機(jī)器人還可以用激光來處理堵塞血栓。
這個研究也是趙選賀團(tuán)隊過去幾年研究的集成。他們發(fā)明了水凝膠材料和磁控材料。前者是一種生物相容性材料,后者可以設(shè)計用來爬行、跳躍和抓取的 3D 打印磁力驅(qū)動材料。他們正是將兩者結(jié)合創(chuàng)造出這款機(jī)器人導(dǎo)絲。由于機(jī)器人導(dǎo)絲無需外科醫(yī)生手工操作,也就意味著醫(yī)生不必靠近患者和輻射設(shè)備,這就減少了醫(yī)生遭受的輻射。