Roboter-thread ist entworfen, um gleiten durch das Gehirn, die Blutgefäße

Roboter-thread ist entworfen, um gleiten durch das Gehirn, die Blutgefäße

MIT-Ingenieure haben entwickelt ein magnetisch steuerbares, Faden-wie Roboter, die aktiv gleiten Sie durch die schmalen, gewundenen Wege, wie die labrynthine Gefäßsystem des Gehirns.

In Zukunft werden diese Roboter-thread kann gekoppelt werden mit der bestehenden endovaskulären Technologien, ärzten zu ermöglichen, aus der Ferne guide der Roboter durch einen Patienten Blutgefäße im Gehirn schnell zu behandeln, Blockaden und Läsionen, wie diejenigen, die auftreten, in Aneurysmen und Schlaganfall.

„Der Schlaganfall ist die Nummer fünf Todesursache und eine führende Ursache von Behinderungen in den Vereinigten Staaten. Wenn einem akuten Schlaganfall behandelt werden kann, innerhalb der ersten 90 Minuten oder so, Patienten die überlebensrate könnte deutlich steigen“, sagt Xuanhe Zhao, associate professor of mechanical engineering und des civil and environmental engineering am MIT. „Wenn wir könnten entwerfen Sie ein Gerät umkehren Verstopfung von Blutgefäßen innerhalb dieser „Goldenen Stunde“, wie wir potenziell vermeiden dauerhafte Schädigungen des Gehirns. Das ist unsere Hoffnung.“

Zhao und sein team, einschließlich der leitende Autor Yoonho Kim, ein student im Aufbaustudium in MIT ‚ s Department of Mechanical Engineering, beschreiben Ihre weiche Roboter-design in der Zeitschrift Science Robotics. Das Papier der anderen co-Autoren sind MIT-student im Aufbaustudium Deutsch Alberto Parada und Gasthörer Shengduo Liu.

In a tight spot

Klar Blutgerinnsel im Gehirn, die ärzte oft durchführen einer endovaskulären Prozedur, ein minimal-invasiver Eingriff, bei dem ein Chirurg einen dünnen Draht, der durch einen Patienten die Hauptschlagader, in der Regel in das Bein oder in der Leistengegend. Geführt von einer fluoroscope, die gleichzeitig Bilder der Blutgefäße mit Röntgen -, der Chirurg manuell dreht den Draht bis in das geschädigte Gehirn Schiff. Ein Katheter kann dann eingefädelt werden entlang des Drahtes zu liefern, Drogen oder Thrombus retrieval-Geräte, um die betroffene region.

Kim sagt, das Verfahren ist körperlich anstrengend, erfordert Chirurgen, die müssen speziell geschult in der Aufgabe, zu ertragen wiederholte Strahlenbelastung von Fluoroskopie.

„Es ist eine anspruchsvolle Fertigkeit, und es gibt einfach nicht genug Chirurgen für den Patienten, vor allem in vorstädtischen oder ländlichen Gebieten,“ Kim sagt.

Die medizinische führungsdrähte verwendet in solchen Verfahren sind passiv, das heißt, Sie müssen manuell bearbeitet werden, und sind in der Regel aus einem Kern aus Metalllegierungen, beschichtet mit polymer und ein material, dass Kim sagt, könnte möglicherweise erzeugen Reibung und Beschädigungen, Behälter-Auskleidungen, wenn Sie den Draht zu bekommen waren vorübergehend stecken in einem besonders engen Raum.

Das team erkannte, dass die Entwicklungen in Ihrem Labor könnte dazu beitragen, solche endovaskulären Verfahren, sowohl in der Gestaltung der Führungsdraht und in die Reduzierung der ärzte-Exposition auf etwaige damit verbundene Strahlung.

Einfädeln einer Nadel

In den vergangenen Jahren, das team verfügt über know-how sowohl Hydrogele — biokompatible Materialien, die vor allem der Wasser-und 3-D-printed magnetisch betätigte Materialien, die entworfen werden können, zu krabbeln, springen und sogar einen ball fangen, einfach indem Sie die Richtung des einen Magneten.

In diesem neuen Papier, kombinierten die Forscher Ihre Arbeit in der Hydrogele und in der magnetischen betätigung, zur Herstellung einer magnetisch steuerbaren, hydrogel-beschichtet Roboter-thread, oder Führungsdraht, was Sie konnten, um zu machen, Dünn genug, um magnetisch Führung durch einen life-size Silikon-Nachbildung des Gehirns Blutgefäße.

Der Kern des Roboter-thread ist aus nickel-Titan-Legierung, oder „nitinol“, ein material, das sowohl biegsam und elastisch. Im Gegensatz zu einem Kleiderbügel, die würde behalten Ihre Form, wenn Sie gebogen, ein nitinol-Draht zurück zu seiner ursprünglichen Form, gibt es mehr Flexibilität in der Wicklung durch enge, gewundene Gefäße. Das team beschichtete den Draht, den Kern in eine gummiartige paste oder Tinte, die in Sie eingebettet wird das ganze mit magnetischen Partikeln.

Schließlich verwendeten Sie einen chemischen Prozess, den Sie entwickelt, die zuvor, zu beschichten und Bindung der magnetischen Abdeckung mit hydrogel — ein material, das beeinträchtigt nicht die Reaktionsfähigkeit des zugrunde liegenden magnetischen Partikel und doch bietet Sie den Draht mit einer glatten, Reibung-frei, biokompatible Oberfläche.

Sie zeigten die Roboter-thread Präzision und Aktivierung mithilfe eines großen Magneten, ähnlich wie die Fäden einer marionette zu Steuern, die der thread durch einen Parcours von kleinen Ringen, die an einem Faden durch ein Nadelöhr.

Die Forscher testeten auch den thread in einem life-size Silikon-Replikat des Gehirns zu den großen Blutgefäßen, einschließlich Blutgerinnsel und Aneurysmen, nach dem Vorbild des CT-scans eines tatsächlichen Patienten Gehirn. Das team erfüllte die Silikon-Behältern mit einer Flüssigkeit zu simulieren, die Viskosität des Blutes, dann manuell manipuliert einen großen Magneten, um das Modell zu lenken den Roboter durch die Gefäße‘ gewundene, schmale Pfade.

Kim sagt der Roboter-thread werden kann, funktionalisiert, d.h., dass Funktionen Hinzugefügt werden können — zum Beispiel, um Gerinnsel-reduzierenden Drogen oder brechen Blockaden mit laser-Licht. Um zu demonstrieren, das letztere, das team ersetzte den thread nitinol-Kern mit einer optischen Faser und fand, dass Sie magnetisch Steuern den Roboter aus und aktivieren Sie die laser-sobald der Roboter erreicht eine Ziel-region.

Wenn die Forscher führten Vergleiche zwischen den Roboter-thread beschichteten versus unbeschichteten mit hydrogel, fanden Sie, dass die hydrogel gab den thread ein viel-gebraucht, rutschig Vorteil, so dass Sie gleiten durch engere Räume, ohne stecken zu bleiben. In einer endovaskulären Chirurgie, diese Eigenschaft wäre Schlüssel zur Verhinderung von Reibung und Verletzung des Behälter-Auskleidungen, wie der thread arbeitet seinen Weg durch.

Und wie kann dieser neue Roboter-thread halten Chirurgen Strahlung frei? Kim sagt, dass ein magnetisch steuerbares Führungsdraht nicht entfernt mit der Notwendigkeit für den Chirurgen, körperlich schieben Sie einen Draht durch ein patient die Blutgefäße. Dies bedeutet, dass die ärzte auch nicht in der Nähe eines Patienten, und mehr wichtiger ist, die Strahlung erzeugen fluoroscope.

In Naher Zukunft, sieht er auch endovaskuläre Operationen, übernehmen bestehende magnetische Technologien, wie Paare von großen Magneten, die Richtungen, die ärzte manipulieren können, von knapp außerhalb des op-Raumes, Weg von der fluoroscope Bildgebung das Gehirn des Patienten, oder sogar in einer ganz anderen Lage.

„Bestehende Plattformen angewendet werden könnte, Magnetfeld und tun die fluoroscopy Verfahren zur gleichen Zeit für den Patienten, und der Arzt könnte in das andere Zimmer, oder sogar in eine andere Stadt, die Kontrolle der magnetischen Feld mit einem joystick,“ Kim sagt. „Unsere Hoffnung ist es, vorhandene Technologien zu testen, unsere Roboter-thread in vivo im nächsten Schritt.“

Diese Forschung wurde finanziert, zum Teil durch das Office of Naval Research, das MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, und der National Science Foundation (NSF).

Video: https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=INSyV4dgqu8