Benang robot dirancang untuk menyelinap melalui pembuluh darah otak – Sains Terkini


Insinyur MIT telah mengembangkan robot yang dapat dikendalikan secara magnetis seperti benang yang dapat secara aktif meluncur melalui jalur yang sempit dan berliku, seperti pembuluh darah otak labrynthine.

Di masa depan, benang robot ini dapat dipasangkan dengan teknologi endovaskular yang ada, memungkinkan dokter untuk memandu robot dari jarak jauh melalui pembuluh otak pasien untuk dengan cepat mengobati penyumbatan dan lesi, seperti yang terjadi pada aneurisma dan stroke.

"Stroke adalah penyebab kematian nomor lima dan penyebab utama kecacatan di Amerika Serikat. Jika stroke akut dapat diobati dalam sekitar 90 menit pertama, tingkat kelangsungan hidup pasien dapat meningkat secara signifikan," kata Xuanhe Zhao, associate professor of teknik mesin dan teknik sipil dan lingkungan di MIT. "Jika kita dapat merancang alat untuk membalikkan penyumbatan pembuluh darah dalam 'jam emas' ini, kita berpotensi menghindari kerusakan otak permanen. Itulah harapan kita."

Zhao dan timnya, termasuk penulis utama Yoonho Kim, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Teknik Mesin MIT, menggambarkan desain robot lunak mereka di jurnal Robotika sains. Rekan penulis makalah lainnya adalah mahasiswa pascasarjana MIT Jerman Alberto Parada dan mahasiswa tamu Shengduo Liu.

Di tempat yang ketat


Untuk membersihkan bekuan darah di otak, dokter sering melakukan prosedur endovaskular, operasi minimal invasif di mana ahli bedah memasukkan kawat tipis melalui arteri utama pasien, biasanya di kaki atau selangkangan. Dipandu oleh sebuah fluoroskop yang secara simultan menggambarkan pembuluh darah menggunakan sinar-X, ahli bedah kemudian secara manual memutar kawat ke pembuluh otak yang rusak. Kateter kemudian dapat dipasang di sepanjang kawat untuk mengirimkan obat-obatan atau alat pengambilan bekuan darah ke daerah yang terkena.

Kim mengatakan prosedur itu dapat melelahkan secara fisik, membutuhkan ahli bedah, yang harus dilatih secara khusus dalam tugas tersebut, untuk bertahan dari paparan radiasi berulang dari fluoroskopi.

"Ini adalah keterampilan yang menuntut, dan tidak ada cukup ahli bedah untuk pasien, terutama di daerah pinggiran kota atau pedesaan," kata Kim.

Kawat petunjuk medis yang digunakan dalam prosedur semacam itu bersifat pasif, artinya mereka harus dimanipulasi secara manual, dan biasanya dibuat dari inti paduan logam, dilapisi polimer, bahan yang menurut Kim berpotensi menimbulkan gesekan dan merusak lapisan kapal jika kawat itu ingin terjebak sementara di ruang yang sangat sempit.

Tim menyadari bahwa perkembangan di lab mereka dapat membantu meningkatkan prosedur endovaskular seperti itu, baik dalam desain kawat pemandu dan dalam mengurangi paparan dokter terhadap radiasi terkait.

Jarum suntik

Selama beberapa tahun terakhir, tim telah membangun keahlian dalam kedua hidrogel – bahan biokompatibel yang sebagian besar terbuat dari air – dan bahan 3-D-cetak yang digerakkan secara magnetis yang dapat dirancang untuk merangkak, melompat, dan bahkan menangkap bola, cukup dengan mengikuti arah magnet.

Dalam makalah baru ini, para peneliti menggabungkan pekerjaan mereka dalam hidrogel dan aktuasi magnetik, untuk menghasilkan benang robot berlapis hidrogel yang dapat dikendalikan secara magnetis, atau kawat pemandu, yang dapat mereka buat cukup tipis untuk secara magnetis membimbing melalui replika silikon seukuran aslinya. pembuluh darah otak.

Inti dari benang robot terbuat dari paduan nikel-titanium, atau "nitinol," bahan yang lentur dan kenyal. Tidak seperti gantungan baju, yang akan mempertahankan bentuknya ketika ditekuk, kawat nitinol akan kembali ke bentuk aslinya, memberikannya lebih banyak fleksibilitas dalam berliku melalui kapal yang ketat dan berliku. Tim melapisi inti kawat dengan pasta karet, atau tinta, yang tertanam di dalamnya dengan partikel magnetik.

Akhirnya, mereka menggunakan proses kimia yang mereka kembangkan sebelumnya, untuk melapisi dan mengikat penutup magnetik dengan hidrogel – bahan yang tidak mempengaruhi daya tanggap partikel magnetik yang mendasari dan memberikan kawat dengan permukaan biokompatibel yang halus, bebas gesekan, bebas biokompatibel. .

Mereka mendemonstrasikan ketepatan dan aktivasi benang robot dengan menggunakan magnet besar, seperti tali marionette, untuk mengarahkan benang melalui jalur rintangan cincin kecil, mengingatkan pada sebuah benang yang bergerak melalui mata jarum.

Para peneliti juga menguji benang dalam replika silikon seukuran pembuluh darah utama otak, termasuk gumpalan dan aneurisma, dimodelkan setelah pemindaian CT otak pasien yang sebenarnya. Tim mengisi pembuluh silikon dengan cairan yang mensimulasikan viskositas darah, kemudian secara manual memanipulasi magnet besar di sekitar model untuk mengarahkan robot melalui lilitan, jalur sempit pembuluh.


Kim mengatakan bahwa benang robot dapat difungsikan, yang berarti bahwa fitur dapat ditambahkan – misalnya, untuk memberikan obat pengurang gumpalan atau memecah sumbatan dengan sinar laser. Untuk menunjukkan yang terakhir, tim mengganti inti nitinol benang dengan serat optik dan menemukan bahwa mereka dapat mengarahkan robot secara magnetis dan mengaktifkan laser begitu robot mencapai daerah target.

Ketika para peneliti menjalankan perbandingan antara benang robot yang dilapisi dengan yang tidak dilapisi dengan hidrogel, mereka menemukan bahwa hidrogel memberikan benang yang sangat dibutuhkan, keuntungan licin, yang memungkinkannya meluncur melalui ruang yang lebih sempit tanpa tersangkut. Dalam operasi endovaskular, properti ini akan menjadi kunci untuk mencegah gesekan dan cedera pada lapisan kapal saat benang bekerja.

Dan bagaimana robot baru ini dapat membuat ahli bedah bebas radiasi? Kim mengatakan bahwa kawat petunjuk yang dapat dikendalikan secara magnetis tidak menghilangkan keharusan bagi ahli bedah untuk secara fisik mendorong kawat melalui pembuluh darah pasien. Ini berarti bahwa dokter juga tidak harus berada dekat dengan pasien, dan yang lebih penting, fluoroscope yang menghasilkan radiasi.

Dalam waktu dekat, ia membayangkan operasi endovaskular yang menggabungkan teknologi magnetik yang ada, seperti pasangan magnet besar, arah yang dapat dimanipulasi dokter dari luar ruang operasi, jauh dari pencitraan fluoroskop otak pasien, atau bahkan dalam keseluruhan lokasi berbeda.

"Platform yang ada dapat menerapkan medan magnet dan melakukan prosedur fluoroscopy pada saat yang sama kepada pasien, dan dokter bisa berada di ruangan lain, atau bahkan di kota lain, mengendalikan medan magnet dengan joystick," kata Kim. "Harapan kami adalah memanfaatkan teknologi yang ada untuk menguji thread robot kami secara in vivo pada langkah berikutnya."

Penelitian ini didanai, sebagian, oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut, Institut MIT untuk Soldier Nanotechnologies, dan National Science Foundation (NSF).

Video: https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=INSyV4dgqu8

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.