Robottråd er designet til at glide gennem hjernens blodkar

MIT-ingeniører har udviklet en magnetisk styrbar, trådlignende robot, der aktivt kan glide gennem smalle, snoede stier, såsom hjernens labryntiske vaskulatur.

I fremtiden, denne robottråd kan parres med eksisterende endovaskulær teknologi, gør det muligt for læger at fjernstyre robotten gennem en patients hjernekar for hurtigt at behandle blokeringer og læsioner, såsom dem, der opstår ved aneurismer og slagtilfælde.

"Slagtilfælde er dødsårsag nummer fem og en førende årsag til handicap i USA. Hvis akut slagtilfælde kan behandles inden for de første 90 minutter eller deromkring, patienternes overlevelsesrater kan stige betydeligt, " siger Xuanhe Zhao, lektor i maskinteknik og i civil- og miljøteknik ved MIT. "Hvis vi kunne designe en enhed til at vende blodkarblokering inden for denne 'gyldne time' ' vi kunne potentielt undgå permanent hjerneskade. Det er vores håb."

Zhao og hans team, herunder hovedforfatter Yoonho Kim, en kandidatstuderende i MIT's Department of Mechanical Engineering, beskriv deres bløde robotdesign i journalen Videnskab robotik . Avisens andre medforfattere er MIT-kandidatstuderende tyske Alberto Parada og gæstestuderende Shengduo Liu.

På et trangt sted

For at fjerne blodpropper i hjernen, læger udfører ofte en endovaskulær procedure, en minimalt invasiv operation, hvor en kirurg fører en tynd ledning gennem en patients hovedpulsåre, normalt i benet eller lysken. Styret af et fluoroskop, der samtidig afbilder blodkarrene ved hjælp af røntgenstråler, kirurgen roterer derefter manuelt ledningen op i det beskadigede hjernekar. Et kateter kan derefter skrues op langs ledningen for at levere lægemidler eller anordninger til udvinding af blodpropper til det berørte område.

Kim siger, at proceduren kan være fysisk belastende, kræver kirurger, som skal være specifikt uddannet i opgaven, at udholde gentagen strålingseksponering fra fluoroskopi.

"Det er en krævende færdighed, og der er simpelthen ikke nok kirurger til patienterne, især i forstæder eller landdistrikter, " siger Kim.

De medicinske ledetråde, der anvendes i sådanne procedurer, er passive, hvilket betyder, at de skal manipuleres manuelt, og er typisk lavet af en kerne af metalliske legeringer, belagt med polymer, et materiale, som Kim siger, potentielt kan generere friktion og beskadige beklædningerne, hvis wiren midlertidigt sætter sig fast i et særligt trangt rum.

Holdet indså, at udviklingen i deres laboratorium kunne hjælpe med at forbedre sådanne endovaskulære procedurer, både i udformningen af ​​guidewiren og i at reducere lægers eksponering for eventuel associeret stråling.

Trådning af en nål

I løbet af de sidste par år, holdet har opbygget ekspertise inden for både hydrogeler - biokompatible materialer, der hovedsagelig er lavet af vand - og 3-D-printede magnetisk aktiverede materialer, der kan designes til at kravle, hoppe, og endda fange en bold, blot ved at følge retningen af ​​en magnet.

I dette nye blad, forskerne kombinerede deres arbejde i hydrogeler og i magnetisk aktivering, at producere en magnetisk styrbar, hydrogelbelagt robottråd, eller guidewire, som de var i stand til at gøre tynd nok til magnetisk at lede gennem en silikonekopi i naturlig størrelse af hjernens blodkar.

Kernen i robottråden er lavet af nikkel-titanium-legering, eller "nitinol, " et materiale, der både er bøjeligt og fjedrende. I modsætning til en bøjle, som ville bevare sin form, når den bøjes, en nitinol-tråd ville vende tilbage til sin oprindelige form, giver den mere fleksibilitet til at sno sig tæt, snoede fartøjer. Holdet coated trådens kerne i en gummiagtig pasta, eller blæk, som de indlejrede hele vejen igennem med magnetiske partikler.

Endelig, de brugte en kemisk proces, de udviklede tidligere, at belægge og binde den magnetiske belægning med hydrogel - et materiale, der ikke påvirker reaktionsevnen af ​​de underliggende magnetiske partikler og alligevel giver ledningen en glat, friktionsfri, biokompatibel overflade.

De demonstrerede robottrådens præcision og aktivering ved at bruge en stor magnet, meget som strengene til en marionette, at styre tråden gennem en forhindringsbane af små ringe, minder om en tråd, der arbejder sig gennem nåleøjet.

Forskerne testede også tråden i en silikonekopi i naturlig størrelse af hjernens store blodkar, inklusive blodpropper og aneurismer, modelleret efter CT-scanninger af en faktisk patients hjerne. Holdet fyldte silikonekarrene med en væske, der simulerede blodets viskositet, manipulerede derefter manuelt en stor magnet rundt om modellen for at styre robotten gennem fartøjernes vikling, smalle stier.

Kim siger, at robottråden kan funktionaliseres, hvilket betyder, at funktioner kan tilføjes - f.eks. at levere blodpropreducerende medicin eller bryde blokeringer op med laserlys. For at demonstrere det sidste, holdet erstattede trådens nitinolkerne med en optisk fiber og fandt ud af, at de kunne magnetisk styre robotten og aktivere laseren, når robotten nåede et målområde.

Da forskerne kørte sammenligninger mellem robottråden belagt versus ubelagt med hydrogel, de fandt ud af, at hydrogelen gav tråden en tiltrængt, glatte fordel, lader den glide gennem snævrere rum uden at sidde fast. Ved en endovaskulær operation, denne egenskab ville være nøglen til at forhindre friktion og skader på beklædningerne, når gevindet arbejder sig igennem.

Og hvordan kan denne nye robottråd holde kirurger fri for stråling? Kim siger, at en magnetisk styrbar guidewire gør op med nødvendigheden af, at kirurger fysisk skubber en ledning gennem en patients blodkar. Det betyder, at læger heller ikke behøver at være i nærheden af ​​en patient, og endnu vigtigere, det strålingsgenererende fluoroskop.

I den nærmeste fremtid, han forestiller sig endovaskulære operationer, der inkorporerer eksisterende magnetiske teknologier, såsom par af store magneter, anvisningerne, som læger kan manipulere lige uden for operationsstuen, væk fra fluoroskopet, der afbilder patientens hjerne, eller endda et helt andet sted.

"Eksisterende platforme kunne anvende magnetfelt og udføre fluoroskopiproceduren på samme tid til patienten, og lægen kunne være i det andet rum, eller endda i en anden by, styring af magnetfeltet med et joystick, " siger Kim. "Vores håb er at udnytte eksisterende teknologier til at teste vores robottråd in vivo i næste trin."