技術文章
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、中風及肺栓塞等,嚴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去除血栓,接著使用抗凝藥物預防二次堵塞。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。導管介入技術則對操作者的經(jīng)驗和判斷能力要求較高,操作不當容易損傷血管,甚至造成二次堵塞。近年來,小尺度機器人系統(tǒng)在狹窄閉塞的生物環(huán)境中展現(xiàn)出令人矚目的應用前景,已有研究人員開發(fā)出可破壞血栓結構的微型機器人。然而,如何在動態(tài)血流環(huán)境中實現(xiàn)小尺度機器人的可控靶向遞送和實時狀態(tài)監(jiān)測仍是一個巨大挑戰(zhàn),這極大地限制了它們在血栓治療中的進一步應用。
近日,香港中文大學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器人的血栓定位及加速溶栓方案。螺旋形微機器人采用3D打印工藝制造,采用動態(tài)磁場進行自動化遞送,同時采用超聲成像進行實時的機器人定位及環(huán)境監(jiān)測。機器人能夠?qū)崟r定位血栓位置,并加速血栓的溶解。這項研究有望為血栓癥的監(jiān)測和治療提供新的思路,同時也為小尺度機器人在生物醫(yī)學領域的應用開辟道路。相關研究結果以“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(nanoArch S130, 摩方精密)打印了螺旋形微機器人,并預留磁性物質(zhì)的嵌入空間。微機器人整體結構采用摩方精密提供的polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材料,機器人尺寸為直徑2.15 mm、長度7.30 mm。實驗結果顯示,螺旋形機器人在血液環(huán)境及血流環(huán)境中表現(xiàn)出極.好的結構穩(wěn)定性,在溶除血栓任務結束后能保持完成的整體結構并被回收。該打印設計方案可根據(jù)需求進行尺寸縮放,以期應用于不同的狹窄生物環(huán)境中。
在機器人系統(tǒng)搭建完成后,研究人員在測試平臺中驗證了醫(yī)學圖像引導機器人遞送、溶栓方案的可行性。通過實時監(jiān)測機器人的運動狀態(tài)以及機器人誘導產(chǎn)生的多普勒超聲信號,研究人員在類血管復雜動態(tài)環(huán)境中成功實現(xiàn)血栓堵塞部位的定位。機器人在磁場驅(qū)動下能夠產(chǎn)生強對流加速溶栓因子的物質(zhì)交換,同時對血液-血栓界面施加剪切力促進溶栓產(chǎn)物的去除。實驗結果表明,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險。配合不同尺寸的小尺度機器人,該方案可根據(jù)需要應用于不同直徑的血管中,有望為外場驅(qū)動的小尺度機器人在生物醫(yī)學領域的應用提供新的思路。
圖1.螺旋形機器人在動態(tài)、類血管環(huán)境中的自動化導航整體方案
圖2.螺旋形機器人在血流環(huán)境中的受力分析及磁控。
圖3. 機器人誘導的多普勒信號的仿真分析及實驗驗證。
圖4. 機器人在類血管系統(tǒng)中的自動化導航(逆流而上及順流而下)及實時定位。
圖5. 多普勒信號引導的血栓定位及加速溶栓應用。