3D打印(yin)小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人及其在血(xue)栓定位(wei)與(yu)加(jia)速溶栓的(de)應用(yong)——摩(mo)方精(jing)密(mi)

血(xue)栓癥(zheng)是壹(yi)種常見的血(xue)管(guan)內(nei)疾(ji)病(bing)，具(ju)有(you)多(duo)種臨床表(biao)現(xian)和(he)並(bing)發(fa)癥(zheng)，例(li)如心梗(geng)、中風(feng)及肺栓塞(sai)等，嚴(yan)重危(wei)害病人的(de)生命健康及生活質(zhi)量(liang)。傳(chuan)統(tong)治(zhi)療(liao)方(fang)案(an)常先(xian)通過註射(she)溶栓藥(yao)物或(huo)導管(guan)介(jie)入(ru)技術去除(chu)血栓，接著使用(yong)抗凝(ning)藥(yao)物(wu)預防(fang)二次堵(du)塞(sai)。然而溶栓藥(yao)物缺乏靶向(xiang)性，無法(fa)主動(dong)在血(xue)栓部(bu)位(wei)富(fu)集(ji)，且高濃(nong)度的(de)藥(yao)物(wu)易(yi)引發內(nei)出血(xue)和(he)血(xue)壓(ya)波(bo)動(dong)，因此難(nan)以(yi)高效(xiao)安(an)全地完(wan)成去(qu)除(chu)血栓的(de)任(ren)務。導(dao)管(guan)介(jie)入(ru)技術則對操(cao)作者(zhe)的經驗和(he)判(pan)斷能(neng)力(li)要(yao)求(qiu)較(jiao)高，操(cao)作不(bu)當容易(yi)損(sun)傷血管(guan)，甚至造(zao)成(cheng)二次堵(du)塞(sai)。近(jin)年來(lai)，小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人系(xi)統(tong)在狹窄(zhai)閉塞的(de)生物環(huan)境(jing)中展(zhan)現(xian)出令人矚(zhu)目的(de)應用(yong)前景(jing)，已(yi)有(you)研(yan)究人員開(kai)發(fa)出可(ke)破壞(huai)血(xue)栓結(jie)構的(de)微(wei)型機(ji)器(qi)人。然(ran)而，如何(he)在動(dong)態血流(liu)環(huan)境(jing)中實現(xian)小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人的(de)可(ke)控靶(ba)向(xiang)遞(di)送和(he)實時狀態監(jian)測仍(reng)是(shi)壹(yi)個(ge)巨大挑戰，這極(ji)大地限(xian)制(zhi)了(le)它(ta)們(men)在血(xue)栓治(zhi)療(liao)中的進(jin)壹(yi)步應用(yong)。

近(jin)日(ri)，香(xiang)港(gang)中文大學(xue)張(zhang)立教(jiao)授(shou)課(ke)題(ti)組(zu)王乾(qian)乾(qian)博(bo)士(shi)、杜(du)星洲(zhou)博(bo)士(shi)、金(jin)東(dong)東(dong)博(bo)士(shi)提出壹(yi)種基於(yu)小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人的(de)血(xue)栓定位(wei)及加(jia)速溶栓方(fang)案(an)。螺旋(xuan)形微(wei)機(ji)器(qi)人采(cai)用(yong)3D打印(yin)工(gong)藝制(zhi)造(zao)，采(cai)用(yong)動(dong)態磁場(chang)進(jin)行(xing)自(zi)動(dong)化(hua)遞(di)送，同時采(cai)用(yong)超聲(sheng)成(cheng)像進(jin)行(xing)實時的(de)機(ji)器(qi)人定位(wei)及環(huan)境(jing)監(jian)測。機(ji)器(qi)人能(neng)夠(gou)實時定位(wei)血(xue)栓位(wei)置(zhi)，並(bing)加(jia)速血(xue)栓的(de)溶解(jie)。這項研(yan)究有望(wang)為(wei)血(xue)栓癥(zheng)的監(jian)測和(he)治(zhi)療(liao)提供(gong)新的思路，同(tong)時也(ye)為小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人在生物醫學(xue)領域的應(ying)用(yong)開(kai)辟(pi)道路。相關(guan)研(yan)究結(jie)果(guo)以(yi)“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow"為題(ti)發表(biao)於(yu)國(guo)際(ji)著名(ming)期(qi)刊(kan)《ACS Nano》。

該(gai)工(gong)作使用(yong)面投影微(wei)立體(ti)光刻技(ji)術(nanoArch S130, 摩(mo)方精(jing)密(mi))打印(yin)了(le)螺旋(xuan)形微(wei)機(ji)器(qi)人，並(bing)預留(liu)磁(ci)性物質(zhi)的(de)嵌入(ru)空間。微(wei)機(ji)器(qi)人整(zheng)體(ti)結(jie)構采(cai)用(yong)摩(mo)方精(jing)密(mi)提供(gong)的(de)polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材(cai)料，機(ji)器(qi)人尺寸(cun)為直徑(jing)2.15 mm、長(chang)度(du)7.30 mm。實驗結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)，螺旋(xuan)形機(ji)器(qi)人在血(xue)液環(huan)境(jing)及血流(liu)環(huan)境(jing)中表(biao)現(xian)出極(ji).好(hao)的(de)結(jie)構穩定性，在溶除(chu)血栓任(ren)務結(jie)束(shu)後(hou)能(neng)保(bao)持完成(cheng)的整體(ti)結(jie)構並(bing)被(bei)回收(shou)。該(gai)打印(yin)設(she)計方案(an)可(ke)根據需求(qiu)進(jin)行(xing)尺寸(cun)縮放(fang)，以(yi)期應(ying)用(yong)於(yu)不(bu)同的狹窄(zhai)生物環(huan)境(jing)中。

在機(ji)器(qi)人系(xi)統(tong)搭(da)建(jian)完(wan)成後，研(yan)究人員在測試平(ping)臺(tai)中驗證(zheng)了(le)醫學(xue)圖(tu)像引導機(ji)器(qi)人遞(di)送、溶栓方(fang)案(an)的可(ke)行性。通過實時監(jian)測機(ji)器(qi)人的(de)運(yun)動(dong)狀態以(yi)及機(ji)器(qi)人誘(you)導(dao)產(chan)生的多(duo)普(pu)勒(le)超聲(sheng)信號(hao)，研(yan)究人員在類(lei)血(xue)管(guan)復雜動(dong)態環(huan)境(jing)中成功實現(xian)血(xue)栓堵(du)塞部位(wei)的(de)定位(wei)。機(ji)器(qi)人在磁(ci)場(chang)驅動(dong)下(xia)能(neng)夠(gou)產(chan)生強對流(liu)加(jia)速溶栓因子的物(wu)質交(jiao)換(huan)，同時對血(xue)液-血(xue)栓界面施加(jia)剪切力(li)促進(jin)溶栓產(chan)物(wu)的去除(chu)。實驗結(jie)果(guo)表(biao)明，相對於(yu)單純使用(yong)溶栓藥(yao)劑，該方(fang)案(an)可(ke)大幅提高血管(guan)的疏通效(xiao)率(約4倍)，*溶栓率提高至350%，且不(bu)產(chan)生明顯(xian)的(de)血栓碎(sui)片(pian)，降低了(le)二(er)次堵(du)塞(sai)的風(feng)險(xian)。配(pei)合(he)不(bu)同尺寸(cun)的小尺度(du)機(ji)器(qi)人，該(gai)方(fang)案(an)可(ke)根據需要(yao)應用(yong)於(yu)不(bu)同直徑(jing)的(de)血(xue)管(guan)中，有望(wang)為(wei)外場驅動(dong)的小(xiao)尺度(du)機(ji)器(qi)人在生物醫學(xue)領域的應(ying)用(yong)提供(gong)新的思路。

圖(tu)1.螺旋(xuan)形機(ji)器(qi)人在動(dong)態、類血(xue)管(guan)環(huan)境(jing)中的自(zi)動(dong)化(hua)導(dao)航(hang)整體方(fang)案(an)

圖(tu)2.螺旋(xuan)形機(ji)器(qi)人在血(xue)流(liu)環(huan)境(jing)中的受(shou)力分(fen)析及磁控。

圖(tu)3.  機(ji)器(qi)人誘(you)導(dao)的(de)多(duo)普(pu)勒(le)信號(hao)的仿(fang)真分析(xi)及實驗驗證(zheng)。

圖(tu)4. 機(ji)器(qi)人在類(lei)血(xue)管(guan)系(xi)統(tong)中的自(zi)動(dong)化(hua)導(dao)航(hang)(逆(ni)流(liu)而上及順(shun)流(liu)而下(xia))及實時定位(wei)。

圖(tu)5. 多普(pu)勒(le)信號(hao)引導的血(xue)栓定位(wei)及加(jia)速溶栓應(ying)用(yong)。