香港中文大學(xué)《ACS Nano》：3D打印小尺度機(jī)器人及其在血栓定位與加速溶栓的應(yīng)用

來源：PuSL摩方精密

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(dòng)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(dòng)，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(duì)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(dòng)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(cè)仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這極大地限制了它們?cè)谘�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(dòng)態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)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(cè)。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(cè)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)表于國際著名期刊《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(zhǎng)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)出極好的結(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(cè)試平臺(tái)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(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及機(jī)器人誘導(dǎo)產(chǎn)生的多普勒超聲信號(hào)，研究人員在類血管復(fù)雜動(dòng)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)下能夠產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流加速溶栓因子的物質(zhì)交換，同時(shí)對(duì)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(duì)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)，完全溶栓率提高至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(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)、類血管環(huán)境中的自動(dòng)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(hào)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(dòng)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(hào)引導(dǎo)的血栓定位及加速溶栓應(yīng)用。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c07830