3D打(da)印小尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)及(ji)其(qi)在血栓(shuan)定位(wei)與加(jia)速(su)溶栓(shuan)的(de)應用—摩(mo)方(fang)精密(mi)

血(xue)栓癥是壹種(zhong)常(chang)見(jian)的(de)血管(guan)內疾(ji)病，具有多種(zhong)臨床表(biao)現(xian)和並(bing)發癥(zheng)，例(li)如心梗、中(zhong)風(feng)及(ji)肺(fei)栓塞等，嚴重(zhong)危害病人(ren)的(de)生命健(jian)康及(ji)生活質(zhi)量(liang)。傳統(tong)治(zhi)療方(fang)案常先通(tong)過(guo)註射溶栓(shuan)藥(yao)物或(huo)導(dao)管介(jie)入技(ji)術去除(chu)血(xue)栓，接(jie)著使(shi)用抗凝藥(yao)物預(yu)防(fang)二次堵塞。然而(er)溶栓(shuan)藥(yao)物缺(que)乏(fa)靶向(xiang)性(xing)，無(wu)法(fa)主(zhu)動(dong)在血栓(shuan)部位(wei)富集(ji)，且高(gao)濃度(du)的(de)藥(yao)物易(yi)引發內出(chu)血(xue)和血壓波(bo)動(dong)，因(yin)此(ci)難以高(gao)效(xiao)安全地完(wan)成(cheng)去除(chu)血(xue)栓的(de)任務。導(dao)管介(jie)入技(ji)術則對操(cao)作(zuo)者(zhe)的(de)經驗(yan)和判斷(duan)能(neng)力(li)要(yao)求(qiu)較高(gao)，操作(zuo)不(bu)當容(rong)易(yi)損(sun)傷(shang)血(xue)管(guan)，甚至(zhi)造(zao)成(cheng)二次堵塞。近年來，小(xiao)尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)系統在狹窄閉(bi)塞的(de)生物環(huan)境(jing)中(zhong)展(zhan)現(xian)出(chu)令(ling)人(ren)矚(zhu)目(mu)的(de)應用前(qian)景，已(yi)有研(yan)究人(ren)員(yuan)開(kai)發出(chu)可(ke)破壞血(xue)栓(shuan)結(jie)構的(de)微型(xing)機(ji)器人(ren)。然(ran)而(er)，如何(he)在動(dong)態血流環(huan)境(jing)中(zhong)實(shi)現(xian)小(xiao)尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)的(de)可控(kong)靶向(xiang)遞(di)送和實時(shi)狀(zhuang)態監測(ce)仍是壹(yi)個巨大(da)挑(tiao)戰(zhan)，這(zhe)極(ji)大(da)地限(xian)制了它(ta)們(men)在血栓(shuan)治療(liao)中(zhong)的(de)進壹步(bu)應用。

近(jin)日，香(xiang)港(gang)中(zhong)文大(da)學(xue)張立教授課題(ti)組(zu)王(wang)乾乾(qian)博(bo)士(shi)、杜星(xing)洲(zhou)博(bo)士(shi)、金東(dong)東(dong)博(bo)士(shi)提(ti)出壹(yi)種(zhong)基於(yu)小(xiao)尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)的(de)血栓(shuan)定位(wei)及(ji)加(jia)速(su)溶栓(shuan)方(fang)案。螺旋(xuan)形(xing)微機(ji)器人(ren)采(cai)用3D打(da)印工(gong)藝制造，采(cai)用動(dong)態磁場進行自(zi)動(dong)化遞(di)送，同時采(cai)用超(chao)聲(sheng)成(cheng)像(xiang)進行實(shi)時的(de)機(ji)器人(ren)定(ding)位(wei)及(ji)環(huan)境(jing)監測(ce)。機(ji)器人(ren)能(neng)夠實(shi)時(shi)定(ding)位血(xue)栓位置(zhi)，並(bing)加(jia)速(su)血(xue)栓(shuan)的(de)溶解(jie)。這(zhe)項(xiang)研(yan)究有望(wang)為(wei)血栓(shuan)癥(zheng)的(de)監測(ce)和治療(liao)提(ti)供新(xin)的(de)思路(lu)，同(tong)時也為(wei)小尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)在生物醫(yi)學(xue)領域(yu)的(de)應用開(kai)辟道路(lu)。相(xiang)關(guan)研(yan)究結果(guo)以“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow"為(wei)題(ti)發表(biao)於(yu)國際著名期(qi)刊(kan)《ACS Nano》。

該工(gong)作使(shi)用面投影(ying)微立體光刻(ke)技(ji)術(nanoArch S130, 摩(mo)方(fang)精密(mi))打(da)印了螺旋(xuan)形(xing)微機(ji)器人(ren)，並(bing)預留磁性(xing)物質(zhi)的(de)嵌(qian)入空(kong)間(jian)。微機(ji)器人(ren)整(zheng)體結構采(cai)用摩(mo)方(fang)精密(mi)提(ti)供的(de)polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材料(liao)，機(ji)器人(ren)尺(chi)寸(cun)為直徑2.15 mm、長(chang)度(du)7.30 mm。實驗(yan)結果(guo)顯(xian)示，螺(luo)旋(xuan)形(xing)機(ji)器人(ren)在血液(ye)環(huan)境(jing)及(ji)血(xue)流環(huan)境(jing)中(zhong)表(biao)現(xian)出(chu)極(ji)。好的(de)結構穩(wen)定性(xing)，在溶除(chu)血(xue)栓任務結(jie)束後(hou)能(neng)保(bao)持完成(cheng)的(de)整體結構並(bing)被回(hui)收(shou)。該打(da)印設計方(fang)案可根據需求(qiu)進行尺(chi)寸(cun)縮放(fang)，以期應用於(yu)不(bu)同的(de)狹窄生物環(huan)境(jing)中(zhong)。

在機(ji)器人(ren)系統搭(da)建(jian)完(wan)成(cheng)後(hou)，研(yan)究人(ren)員(yuan)在測(ce)試(shi)平臺中(zhong)驗(yan)證(zheng)了(le)醫(yi)學(xue)圖像(xiang)引導(dao)機(ji)器人(ren)遞(di)送、溶栓(shuan)方(fang)案的(de)可行性(xing)。通(tong)過(guo)實時監測(ce)機(ji)器人(ren)的(de)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態以及機(ji)器人(ren)誘導(dao)產生的(de)多普勒超聲(sheng)信(xin)號(hao)，研(yan)究人(ren)員(yuan)在類血(xue)管復(fu)雜(za)動(dong)態環(huan)境(jing)中(zhong)成(cheng)功(gong)實現(xian)血栓(shuan)堵塞部位的(de)定位(wei)。機(ji)器人(ren)在磁場(chang)驅動(dong)下(xia)能(neng)夠產(chan)生強對(dui)流加(jia)速(su)溶栓(shuan)因(yin)子(zi)的(de)物質(zhi)交(jiao)換，同(tong)時對血(xue)液(ye)-血(xue)栓(shuan)界(jie)面施加(jia)剪(jian)切力(li)促(cu)進溶栓(shuan)產(chan)物的(de)去除(chu)。實(shi)驗(yan)結果(guo)表(biao)明(ming)，相(xiang)對於(yu)單(dan)純使(shi)用溶栓(shuan)藥(yao)劑，該方(fang)案可大(da)幅提(ti)高(gao)血管(guan)的(de)疏通(tong)效(xiao)率(約(yue)4倍)，完。全溶栓(shuan)率提(ti)高(gao)至350%，且(qie)不(bu)產生明(ming)顯(xian)的(de)血栓(shuan)碎片，降低(di)了二次堵塞的(de)風險(xian)。配合(he)不(bu)同尺(chi)寸(cun)的(de)小尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)，該方(fang)案可根據需要(yao)應用於(yu)不(bu)同直徑的(de)血管(guan)中(zhong)，有(you)望(wang)為(wei)外場驅動(dong)的(de)小尺(chi)度(du)機(ji)器人(ren)在生物醫(yi)學(xue)領域(yu)的(de)應用提(ti)供新(xin)的(de)思路(lu)。

圖(tu)1.螺旋(xuan)形(xing)機(ji)器人(ren)在動(dong)態、類血管(guan)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)自動(dong)化導(dao)航整體方(fang)案

圖(tu)2.螺旋(xuan)形(xing)機(ji)器人(ren)在血流環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)受力(li)分(fen)析(xi)及(ji)磁控。

圖(tu)3.  機(ji)器人(ren)誘導(dao)的(de)多普勒信(xin)號(hao)的(de)仿(fang)真分析(xi)及(ji)實驗(yan)驗(yan)證(zheng)。

圖(tu)4. 機(ji)器人(ren)在類血(xue)管系統中(zhong)的(de)自動(dong)化導(dao)航(逆流而(er)上及(ji)順流而(er)下)及實(shi)時(shi)定(ding)位。

圖(tu)5. 多普勒信(xin)號(hao)引導(dao)的(de)血栓(shuan)定位(wei)及(ji)加(jia)速(su)溶栓(shuan)應用。