MIT-ingenieurs hebben een magnetisch bestuurbare, draadachtige robot die actief door nauwe, kronkelende paden, zoals de labrynthine vasculatuur van de hersenen.

In de toekomst, deze robotdraad kan worden gecombineerd met bestaande endovasculaire technologieën, waardoor artsen de robot op afstand door de hersenvaten van een patiënt kunnen leiden om blokkades en laesies snel te behandelen, zoals die optreden bij aneurysma's en beroertes.

"Beroerte is doodsoorzaak nummer vijf en een belangrijke oorzaak van invaliditeit in de Verenigde Staten. Als een acute beroerte binnen de eerste 90 minuten of zo kan worden behandeld, overlevingskansen van patiënten aanzienlijk kunnen toenemen, " zegt Xuanhe Zhao, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek aan het MIT. "Als we binnen dit 'gouden uur' een apparaat zouden kunnen ontwerpen om de verstopping van bloedvaten om te keren, ' kunnen we mogelijk blijvende hersenbeschadiging voorkomen. Dat is onze hoop."

Zhao en zijn team, waaronder hoofdauteur Yoonho Kim, een afgestudeerde student aan de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT, beschrijf hun zachte robotontwerp in het tijdschrift Wetenschap Robotica . De andere co-auteurs van de paper zijn MIT-student German Alberto Parada en gaststudent Shengduo Liu.

Op een krappe plek

Om bloedstolsels in de hersenen te verwijderen, artsen voeren vaak een endovasculaire procedure uit, een minimaal invasieve operatie waarbij een chirurg een dunne draad door de hoofdslagader van een patiënt steekt, meestal in het been of de lies. Geleid door een fluoroscoop die tegelijkertijd de bloedvaten in beeld brengt met behulp van röntgenstralen, de chirurg draait vervolgens de draad handmatig omhoog in het beschadigde hersenvat. Een katheter kan dan langs de draad omhoog worden geregen om medicijnen of apparaten voor het verwijderen van stolsels in het getroffen gebied af te leveren.

Kim zegt dat de procedure fysiek belastend kan zijn, chirurgen nodig hebben, die specifiek moeten worden opgeleid in de taak, herhaalde blootstelling aan straling door fluoroscopie te doorstaan.

"Het is een veeleisende vaardigheid, en er zijn gewoon niet genoeg chirurgen voor de patiënten, vooral in voorstedelijke of landelijke gebieden, ' zegt Kim.

De medische voerdraden die bij dergelijke procedures worden gebruikt, zijn passief, wat betekent dat ze handmatig moeten worden gemanipuleerd, en zijn meestal gemaakt van een kern van metaallegeringen, gecoat in polymeer, een materiaal dat volgens Kim mogelijk wrijving kan veroorzaken en de voering van vaten kan beschadigen als de draad tijdelijk vast komt te zitten in een bijzonder krappe ruimte.

Het team realiseerde zich dat ontwikkelingen in hun laboratorium dergelijke endovasculaire procedures kunnen helpen verbeteren, zowel bij het ontwerp van de voerdraad als bij het verminderen van de blootstelling van artsen aan eventuele bijbehorende straling.

Een naald inrijgen

De afgelopen jaren is het team heeft expertise opgebouwd in zowel hydrogels - biocompatibele materialen die grotendeels van water zijn gemaakt - en 3D-geprinte magnetisch geactiveerde materialen die kunnen worden ontworpen om te kruipen, springen, en zelfs een bal vangen, gewoon door de richting van een magneet te volgen.

In deze nieuwe krant de onderzoekers combineerden hun werk in hydrogels en in magnetische aandrijving, om een ​​magnetisch bestuurbare, hydrogel-gecoate robotdraad, of voerdraad, die ze dun genoeg konden maken om magnetisch door een levensgrote siliconen replica van de bloedvaten van de hersenen te geleiden.

De kern van de robotdraad is gemaakt van een nikkel-titaniumlegering, of "nitinol, " een materiaal dat zowel buigzaam als veerkrachtig is. In tegenstelling tot een kleerhanger, die zijn vorm zou behouden wanneer gebogen, een nitinoldraad zou terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, waardoor het meer flexibiliteit heeft bij het strak opwinden, kronkelige schepen. Het team bedekte de kern van de draad met een rubberachtige pasta, of inkt, die ze overal ingebed met magnetische deeltjes.

Eindelijk, ze gebruikten een chemisch proces dat ze eerder ontwikkelden, om de magnetische bekleding te coaten en te binden met hydrogel - een materiaal dat de responsiviteit van de onderliggende magnetische deeltjes niet beïnvloedt en toch de draad een gladde, wrijvingsvrij, biocompatibel oppervlak.

Ze demonstreerden de precisie en activering van de robotdraad door een grote magneet te gebruiken, net als de snaren van een marionet, om de draad door een hindernisbaan van kleine ringen te leiden, doet denken aan een draad die zich een weg baant door het oog van een naald.

De onderzoekers testten de draad ook in een levensgrote siliconen replica van de belangrijkste bloedvaten van de hersenen, inclusief stolsels en aneurysma's, gemodelleerd naar de CT-scans van de hersenen van een echte patiënt. Het team vulde de siliconenvaten met een vloeistof die de viscositeit van bloed simuleerde, manipuleerde vervolgens handmatig een grote magneet rond het model om de robot door de wikkeling van de vaten te sturen, smalle paden.

Kim zegt dat de robotdraad kan worden gefunctionaliseerd, wat betekent dat functies kunnen worden toegevoegd, bijvoorbeeld om stollingsremmende medicijnen toe te dienen of blokkades op te heffen met laserlicht. Om dat laatste aan te tonen, het team verving de nitinolkern van de draad door een optische vezel en ontdekte dat ze de robot magnetisch konden sturen en de laser konden activeren zodra de robot een doelgebied had bereikt.

Toen de onderzoekers vergelijkingen maakten tussen de robotdraad gecoat versus ongecoat met hydrogel, ze ontdekten dat de hydrogel de draad een broodnodige, glad voordeel, waardoor het door krappere ruimtes kan glijden zonder vast te komen zitten. Bij een endovasculaire operatie, deze eigenschap zou de sleutel zijn om wrijving en letsel aan de voeringen van vaten te voorkomen terwijl de draad zich een weg baant.

En hoe kan deze nieuwe robotdraad chirurgen stralingsvrij houden? Kim zegt dat een magnetisch bestuurbare voerdraad de noodzaak voor chirurgen wegneemt om een ​​draad fysiek door de bloedvaten van een patiënt te duwen. Dit betekent dat artsen ook niet in de buurt van een patiënt hoeven te zijn, en nog belangrijker, de stralingsgenererende fluoroscoop.

In de nabije toekomst, hij stelt zich endovasculaire operaties voor waarbij bestaande magnetische technologieën worden gebruikt, zoals paren grote magneten, de aanwijzingen die artsen kunnen manipuleren van net buiten de operatiekamer, weg van de fluorescoop die de hersenen van de patiënt in beeld brengt, of zelfs op een geheel andere locatie.

"Bestaande platforms zouden een magnetisch veld kunnen toepassen en tegelijkertijd de fluoroscopieprocedure op de patiënt kunnen uitvoeren, en de dokter kan in de andere kamer zijn, of zelfs in een andere stad, het magnetische veld besturen met een joystick, " zegt Kim. "Onze hoop is om bestaande technologieën te gebruiken om onze robotdraad in vivo in de volgende stap te testen."