腔內(nèi)支架植入是治療膽道狹窄等梗阻性病變的常用介入手段，然而，傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)因器械剛度高、操作自由度低，難以在遠(yuǎn)端曲折的管道中安全穿行，易在肝內(nèi)膽管等遠(yuǎn)端狹窄部位引發(fā)穿孔、支架誤置等風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，磁控微機(jī)器人憑借其微創(chuàng)、可遠(yuǎn)程操控和穿透深部組織的優(yōu)勢(shì)，為腔內(nèi)精準(zhǔn)介入提供了全新思路。然而，受制于微型尺度下的“尺寸-力量權(quán)衡”，如何在保持靈活性的同時(shí)賦予其強(qiáng)大的擴(kuò)張能力，是推動(dòng)該技術(shù)走向臨床必須解決的難題。
針對(duì)上述難題，香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表了題為“Modular magnetic microrobot system for robust endoluminal navigation and high–radial force stent delivery in complex ductal anatomy”的研究論文，提出了一種模塊化磁控微機(jī)器人系統(tǒng)。文章第一作者是香港中文大學(xué)博士后蘇琳，文章通訊作者是香港中文大學(xué)張立教授和陳啟楓研究助理教授。
該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將磁驅(qū)動(dòng)模塊與超聲響應(yīng)型自膨脹支架模塊相結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)方向控制實(shí)現(xiàn)“集成推進(jìn)”與“定點(diǎn)分離”兩種狀態(tài)的智能切換，并利用聚焦超聲觸發(fā)支架在病灶處的快速膨脹，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜管道內(nèi)的穩(wěn)定穿行與支架的按需精準(zhǔn)部署（圖1）。
圖表1. 用于膽道支架植入的模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)示意圖。(A) 系統(tǒng)組成：磁驅(qū)動(dòng)模塊與可膨脹支架模塊集成。(B) 在膽道系統(tǒng)中的支架植入流程：(a) 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下導(dǎo)航；(b) 到達(dá)病灶后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)解離；(c) 超聲觸發(fā)支架原位擴(kuò)張。
為此，作者團(tuán)隊(duì)分別合成了兩種水凝膠打印樹脂，并采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch? S130，精度：2μm）制備了兩種模塊。磁驅(qū)動(dòng)模塊的打印樹脂由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、交聯(lián)劑DPHA、增稠劑PVP及NdFeB@SiO?磁性顆粒組成，賦予模塊高磁響應(yīng)性與結(jié)構(gòu)精度（圖2）。支架模塊則采用含鉭微粒的韌性水凝膠材料打印而成，不僅具備良好的生物相容性，還可作為超聲成像對(duì)比劑，其徑向剛度達(dá)0.516 N/cm，滿足臨床膽道與血管的支撐需求（圖3）。
圖表2. 磁驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與性能表征。(A) 模塊結(jié)構(gòu)示意圖，包含主體、左旋螺紋、蓋帽和螺旋尾翼。(B) 3D打印模塊的SEM圖像。(C) 不同結(jié)構(gòu)在順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)下的模擬流線圖。(D) 模塊平均推進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)頻率的關(guān)系。(E) 螺旋尾翼寬度對(duì)推進(jìn)速度的影響。(F) 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的速度-頻率曲線。(G) 不同頻率驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)圖像。(H) 不同流體粘度環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能。
圖表3. 支架模塊的設(shè)計(jì)與功能表征。(A) 支架模塊結(jié)構(gòu)示意圖，顯示編織線數(shù)、角度等參數(shù)。(B) 打印支架的SEM圖像。(C, D) 模擬顯示線數(shù)與編織角對(duì)徑向壓縮性能的影響。(E) 不同幾何參數(shù)下壓縮至50%直徑所需載荷。(F) 支架在不同配合尺寸（Δd）下的錨定性能。(G) 支架壓縮固定與超聲觸發(fā)擴(kuò)張過(guò)程示意圖。(H) 不同鉭顆粒濃度下超聲功率與溫升關(guān)系。(I) 不同超聲功率下支架形狀恢復(fù)率隨時(shí)間變化。
該系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于其“旋轉(zhuǎn)控制組裝策略”（圖4）。磁驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了基于阿基米德螺旋線的鎖鉤結(jié)構(gòu)，當(dāng)模塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，支架模塊被牢牢約束在腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸送；一旦抵達(dá)目標(biāo)位置，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)即可在離心力作用下于3秒內(nèi)完成精準(zhǔn)釋放。這一機(jī)制有效解決了傳統(tǒng)磁控機(jī)器人在導(dǎo)航過(guò)程中易丟失負(fù)載、難以在狹窄空間內(nèi)可控釋放的難題。
圖表4. 模塊化機(jī)器人的組裝與解組裝性能。(A) 運(yùn)動(dòng)模式與解組裝模式示意圖。(B) 兩種模式的實(shí)驗(yàn)圖像。(C) 間隙配合與螺旋末端角度對(duì)組裝/解組裝成功率的影響。(D) 旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)解組裝時(shí)間的影響。(E) 旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)投放精度的影響。(F) 機(jī)器人在不同地形（彎道、分叉）中的運(yùn)動(dòng)與解組裝實(shí)驗(yàn)。
研究團(tuán)隊(duì)在多層分支膽道模型及離體豬膽管中成功驗(yàn)證了該系統(tǒng)的全流程操作：微機(jī)器人可在超聲引導(dǎo)下沿3.5 cm路徑精準(zhǔn)導(dǎo)航，在目標(biāo)位置3秒內(nèi)完成支架釋放，并于30秒內(nèi)通過(guò)超聲熱觸發(fā)實(shí)現(xiàn)完全膨脹，將管腔直徑擴(kuò)大約2.5倍。該系統(tǒng)兼具微創(chuàng)性、高精度與臨床兼容性，為未來(lái)深部腔內(nèi)介入治療提供了全新的技術(shù)平臺(tái)。綜上，這項(xiàng)工作有力地促進(jìn)了生物醫(yī)用多功能微型機(jī)器人的發(fā)展，為其今后走向?qū)嶋H應(yīng)用提供重要參考。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ady4339
