血栓癥是一種常見(jiàn)的血管內疾病，具有多種臨床表現和并發(fā)癥，例如心梗、中風(fēng)及肺栓塞等，嚴重危害病人的生命健康及生活質(zhì)量。傳統治療方案常先通過(guò)注射溶栓藥物或導管介入技術(shù)去除血栓，接著(zhù)使用抗凝藥物預防二次堵塞。然而溶栓藥物缺乏靶向性，無(wú)法主動(dòng)在血栓部位富集，且高濃度的藥物易引發(fā)內出血和血壓波動(dòng)，因此難以高效安全地完成去除血栓的任務(wù)。導管介入技術(shù)則對操作者的經(jīng)驗和判斷能力要求較高，操作不當容易損傷血管，甚至造成二次堵塞。近年來(lái)，小尺度機器人系統在狹窄閉塞的生物環(huán)境中展現出令人矚目的應用前景，已有研究人員開(kāi)發(fā)出可破壞血栓結構的微型機器人。然而，如何在動(dòng)態(tài)血流環(huán)境中實(shí)現小尺度機器人的可控靶向遞送和實(shí)時(shí)狀態(tài)監測仍是一個(gè)巨大挑戰，這極大地限制了它們在血栓治療中的進(jìn)一步應用。

近日，香港中文大學(xué)張立教授課題組王乾乾博士、杜星洲博士、金東東博士提出一種基于小尺度機器人的血栓定位及加速溶栓方案。螺旋形微機器人采用3D打印工藝制造，采用動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)化遞送，同時(shí)采用超聲成像進(jìn)行實(shí)時(shí)的機器人定位及環(huán)境監測。機器人能夠實(shí)時(shí)定位血栓位置，并加速血栓的溶解。這項研究有望為血栓癥的監測和治療提供新的思路，同時(shí)也為小尺度機器人在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用開(kāi)辟道路。相關(guān)研究結果以“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow"為題發(fā)表于國際著(zhù)名期刊《ACS Nano》。

該工作使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印了螺旋形微機器人，并預留磁性物質(zhì)的嵌入空間。微機器人整體結構采用摩方精密提供的polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材料，機器人尺寸為直徑2.15 mm、長(cháng)度7.30 mm。實(shí)驗結果顯示，螺旋形機器人在血液環(huán)境及血流環(huán)境中表現出極.好的結構穩定性，在溶除血栓任務(wù)結束后能保持完成的整體結構并被回收。該打印設計方案可根據需求進(jìn)行尺寸縮放，以期應用于不同的狹窄生物環(huán)境中。

在機器人系統搭建完成后，研究人員在測試平臺中驗證了醫學(xué)圖像引導機器人遞送、溶栓方案的可行性。通過(guò)實(shí)時(shí)監測機器人的運動(dòng)狀態(tài)以及機器人誘導產(chǎn)生的多普勒超聲信號，研究人員在類(lèi)血管復雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中成功實(shí)現血栓堵塞部位的定位。機器人在磁場(chǎng)驅動(dòng)下能夠產(chǎn)生強對流加速溶栓因子的物質(zhì)交換，同時(shí)對血液-血栓界面施加剪切力促進(jìn)溶栓產(chǎn)物的去除。實(shí)驗結果表明，相對于單純使用溶栓藥劑，該方案可大幅提高血管的疏通效率(約4倍)，完.全溶栓率提高至350%，且不產(chǎn)生明顯的血栓碎片，降低了二次堵塞的風(fēng)險。配合不同尺寸的小尺度機器人，該方案可根據需要應用于不同直徑的血管中，有望為外場(chǎng)驅動(dòng)的小尺度機器人在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用提供新的思路。

圖1.螺旋形機器人在動(dòng)態(tài)、類(lèi)血管環(huán)境中的自動(dòng)化導航整體方案

圖2.螺旋形機器人在血流環(huán)境中的受力分析及磁控。

圖3.  機器人誘導的多普勒信號的仿真分析及實(shí)驗驗證。

圖4. 機器人在類(lèi)血管系統中的自動(dòng)化導航(逆流而上及順流而下)及實(shí)時(shí)定位。

圖5. 多普勒信號引導的血栓定位及加速溶栓應用。