MIT-ingenjörer har utvecklat en magnetiskt styrbar, trådliknande robot som aktivt kan glida genom smala, slingrande stigar, såsom den labryntiska kärlstrukturen i hjärnan.

I framtiden, denna robottråd kan paras ihop med befintlig endovaskulär teknologi, gör det möjligt för läkare att fjärrstyra roboten genom en patients hjärnkärl för att snabbt behandla blockeringar och lesioner, som de som uppstår vid aneurysm och stroke.

"Stroke är dödsorsaken nummer fem och den ledande orsaken till funktionshinder i USA. Om akut stroke kan behandlas inom de första 90 minuterna eller så, patienternas överlevnadsfrekvens kan öka betydligt, säger Xuanhe Zhao, docent i maskinteknik och i civil- och miljöteknik vid MIT. "Om vi ​​kunde designa en anordning för att vända blockering av blodkärl inom denna "gyllene timme, 'vi kan eventuellt undvika permanent hjärnskada. Det är vårt hopp."

Zhao och hans team, inklusive huvudförfattaren Yoonho Kim, en doktorand vid MIT:s avdelning för maskinteknik, beskriv deras mjuka robotdesign i journalen Vetenskapsrobotik . Tidningens andra medförfattare är MIT doktorand tyska Alberto Parada och gäststudent Shengduo Liu.

I ett trångt ställe

För att rensa blodproppar i hjärnan, läkare utför ofta en endovaskulär procedur, en minimalt invasiv operation där en kirurg för in en tunn tråd genom en patients huvudartär, vanligtvis i benet eller ljumsken. Styrt av ett fluoroskop som samtidigt avbildar blodkärlen med hjälp av röntgenstrålar, kirurgen roterar sedan manuellt tråden upp i det skadade hjärnkärlet. En kateter kan sedan träs upp längs tråden för att leverera läkemedel eller propp-återvinningsanordningar till det drabbade området.

Kim säger att proceduren kan vara fysiskt påfrestande, kräver kirurger, som måste utbildas specifikt i uppgiften, att utstå upprepad strålningsexponering från fluoroskopi.

"Det är en krävande färdighet, och det finns helt enkelt inte tillräckligt med kirurger för patienterna, särskilt i förorts- eller landsbygdsområden, " säger Kim.

De medicinska ledtrådarna som används vid sådana procedurer är passiva, vilket innebär att de måste manipuleras manuellt, och är vanligtvis tillverkade av en kärna av metalllegeringar, belagd i polymer, ett material som Kim säger potentiellt skulle kunna generera friktion och skada kärlfoder om vajern tillfälligt skulle fastna i ett särskilt trångt utrymme.

Teamet insåg att utvecklingen i deras labb kunde hjälpa till att förbättra sådana endovaskulära procedurer, både i utformningen av styrtråden och för att minska läkarnas exponering för eventuell associerad strålning.

Trä en nål

Under de senaste åren, teamet har byggt upp expertis inom både hydrogeler—biokompatibla material gjorda mestadels av vatten—och 3-D-tryckta magnetiskt aktiverade material som kan designas för att krypa, hoppa, och till och med fånga en boll, helt enkelt genom att följa magnetens riktning.

I denna nya tidning, forskarna kombinerade sitt arbete med hydrogeler och magnetisk aktivering, att producera en magnetiskt styrbar, hydrogelbelagd robottråd, eller guidewire, som de kunde göra tillräckligt tunna för att magnetiskt styra genom en silikonkopia i naturlig storlek av hjärnans blodkärl.

Kärnan i robottråden är gjord av nickel-titaniumlegering, eller "nitinol, " ett material som är både böjligt och fjädrande. Till skillnad från en klädhängare, som skulle behålla sin form när den böjdes, en nitinoltråd skulle återgå till sin ursprungliga form, ger det mer flexibilitet i att linda genom tätt, slingrande kärl. Teamet belade trådens kärna i en gummiliknande pasta, eller bläck, som de inbäddade genomgående med magnetiska partiklar.

Till sist, de använde en kemisk process som de utvecklat tidigare, att belägga och binda det magnetiska höljet med hydrogel – ett material som inte påverkar reaktionsförmågan hos de underliggande magnetiska partiklarna och ändå ger tråden en slät, friktionsfri, biokompatibel yta.

De demonstrerade robottrådens precision och aktivering genom att använda en stor magnet, ungefär som strängarna i en marionett, att styra tråden genom en hinderbana av små ringar, påminner om en tråd som jobbar sig genom nålsögat.

Forskarna testade också tråden i en silikonkopia i naturlig storlek av hjärnans stora blodkärl, inklusive blodproppar och aneurysm, modellerad efter CT -skanningar av en verklig patients hjärna. Teamet fyllde silikonkärlen med en vätska som simulerade blodets viskositet, manipulerade sedan manuellt en stor magnet runt modellen för att styra roboten genom fartygens lindning, smala stigar.

Kim säger att robottråden kan funktionaliseras, vilket innebär att funktioner kan läggas till – till exempel, för att leverera blodproppsreducerande läkemedel eller bryta upp blockeringar med laserljus. För att visa det senare, laget ersatte trådens nitinolkärna med en optisk fiber och fann att de magnetiskt kunde styra roboten och aktivera lasern när roboten nått ett målområde.

När forskarna gjorde jämförelser mellan robottråden belagd kontra obelagd med hydrogel, de fann att hydrogelen gav tråden en välbehövlig, hala fördel, så att den kan glida genom trånga utrymmen utan att fastna. Vid en endovaskulär operation, denna egenskap skulle vara nyckeln till att förhindra friktion och skada på kärlfoder när tråden fungerar igenom.

Och hur kan denna nya robottråd hålla kirurger strålfria? Kim säger att en magnetiskt styrbar styrtråd undanröjer nödvändigheten för kirurger att fysiskt trycka en tråd genom en patients blodkärl. Detta innebär att läkare inte heller behöver vara i närheten av en patient, och ännu viktigare, det strålningsgenererande fluoroskopet.

Inom en snar framtid, han föreställer sig endovaskulära operationer som inkluderar befintlig magnetisk teknologi, som par stora magneter, de instruktioner som läkare kan manipulera från strax utanför operationssalen, bort från fluoroskopet som avbildar patientens hjärna, eller till och med på en helt annan plats.

"Befintliga plattformar kan applicera magnetfält och göra fluoroskopiproceduren samtidigt på patienten, och läkaren kan vara i det andra rummet, eller till och med i en annan stad, styra magnetfältet med en joystick, " säger Kim. "Vår förhoppning är att utnyttja befintlig teknik för att testa vår robottråd in vivo i nästa steg."