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MIT-Ingenieure haben einen magnetisch steuerbaren drahtähnlichen Roboter entwickelt, der aktiv durch enge, gewundene Pfade wie das labyrinthische Gefäßsystem des Gehirns gleiten kann.
Zukünftig könnte dieser Roboterfaden mit bestehender endovaskulärer Technologie kombiniert werden, sodass Ärzte einen Roboter aus der Ferne durch die Gehirnblutgefäße eines Patienten führen können, um Blockaden und Läsionen, wie sie beispielsweise bei Aneurysmen und Schlaganfällen auftreten, schnell zu behandeln.
„Schlaganfall ist die fünfthäufigste Todesursache und die häufigste Ursache für Behinderungen in den Vereinigten Staaten.Wenn akute Schlaganfälle in den ersten etwa 90 Minuten behandelt werden können, könnte sich das Überleben der Patienten erheblich verbessern“, sagt MIT Mechanical Engineering und Zhao Xuanhe, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, sagte: „Wenn wir ein Gerät zur Gefäßumkehr entwickeln können.“ Blockaden während dieser „Hauptsendezeit“ könnten wir möglicherweise bleibende Hirnschäden vermeiden.Das ist unsere Hoffnung.“
Zhao und sein Team, darunter der Hauptautor Yoonho Kim, ein Doktorand in der Fakultät für Maschinenbau des MIT, beschreiben heute in der Zeitschrift Science Robotics ihr Soft-Roboter-Design. Weitere Co-Autoren der Arbeit sind der MIT-Doktorand German Alberto Parada und ein Gaststudent Shengduo Liu.
Um Blutgerinnsel aus dem Gehirn zu entfernen, führen Ärzte normalerweise eine endovaskuläre Operation durch, ein minimalinvasives Verfahren, bei dem der Chirurg einen dünnen Faden durch die Hauptarterie eines Patienten einführt, normalerweise im Bein oder in der Leiste. Unter Durchleuchtungskontrolle verwendet er gleichzeitig Röntgenstrahlen Um die Blutgefäße abzubilden, dreht der Chirurg den Draht dann manuell nach oben in die beschädigten Blutgefäße des Gehirns. Der Katheter kann dann entlang des Drahts geführt werden, um das Medikament oder das Gerinnselentfernungsgerät in den betroffenen Bereich zu bringen.
Der Eingriff kann körperlich anstrengend sein, sagte Kim und erfordert eine spezielle Ausbildung der Chirurgen, um der wiederholten Strahlenbelastung durch Durchleuchtung standzuhalten.
„Es ist eine sehr anspruchsvolle Fähigkeit, und es gibt einfach nicht genügend Chirurgen, um Patienten zu versorgen, insbesondere in Vorstädten oder ländlichen Gebieten“, sagte Kim.
Medizinische Führungsdrähte, die bei solchen Eingriffen verwendet werden, sind passiv, das heißt, sie müssen manuell manipuliert werden. Sie bestehen häufig aus einem Kern aus einer Metalllegierung und sind mit einem Polymer beschichtet, das laut Kim Reibung erzeugen und die Auskleidung von Blutgefäßen beschädigen kann enger Raum.
Das Team erkannte, dass die Entwicklungen in ihrem Labor dazu beitragen könnten, solche endovaskulären Verfahren zu verbessern, sowohl bei der Gestaltung von Führungsdrähten als auch bei der Reduzierung der Strahlenbelastung der Ärzte.
In den letzten Jahren hat das Team Fachwissen zu Hydrogelen (biokompatiblen Materialien, die größtenteils aus Wasser bestehen) und dem 3D-Druck magnetisch betätigter Materialien aufgebaut, die so gestaltet werden können, dass sie kriechen, springen und sogar einen Ball fangen, indem sie einfach der Richtung des Balls folgen Magnet.
In der neuen Arbeit kombinierten die Forscher ihre Arbeiten zu Hydrogelen und magnetischer Betätigung, um einen magnetisch steuerbaren, mit Hydrogel beschichteten Roboterdraht oder Führungsdraht herzustellen, den sie dünn genug machen konnten, um Blutgefäße magnetisch durch lebensgroße Nachbildungen von Gehirnen aus Silikon zu führen .
Der Kern des Roboterdrahtes besteht aus einer Nickel-Titan-Legierung oder „Nitinol“, einem Material, das sowohl biegbar als auch elastisch ist. Im Gegensatz zu Kleiderbügeln, die beim Biegen ihre Form behalten, kehrt der Nitinoldraht in seine ursprüngliche Form zurück und gibt ihm mehr Flexibilität beim Umwickeln enger, gewundener Blutgefäße. Das Team beschichtete den Kern des Drahtes mit Gummipaste oder Tinte und bettete darin magnetische Partikel ein.
Schließlich verwendeten sie ein zuvor entwickeltes chemisches Verfahren, um die magnetische Auflage mit einem Hydrogel zu beschichten und zu verbinden – einem Material, das die Reaktionsfähigkeit der darunter liegenden magnetischen Partikel nicht beeinträchtigt und dennoch eine glatte, reibungsfreie, biokompatible Oberfläche bietet.
Sie demonstrierten die Präzision und Aktivierung von Roboterdraht, indem sie einen großen Magneten (ähnlich einem Puppenseil) verwendeten, um den Draht durch den Hindernisparcours einer kleinen Schleife zu führen, die an einen Draht erinnert, der durch ein Nadelöhr läuft.
Die Forscher testeten den Draht auch in einer lebensgroßen Silikonnachbildung der wichtigsten Blutgefäße des Gehirns, einschließlich Blutgerinnseln und Aneurysmen, die CT-Scans des Gehirns eines echten Patienten nachahmte. Das Team füllte einen Silikonbehälter mit einer Flüssigkeit, die die Viskosität von Blut nachahmt Anschließend manipulierten sie manuell große Magnete um das Modell herum, um den Roboter durch den gewundenen, schmalen Pfad des Behälters zu führen.
Roboterfäden können funktionalisiert werden, sagt Kim, was bedeutet, dass Funktionen hinzugefügt werden können – zum Beispiel die Abgabe von Medikamenten, die Blutgerinnsel reduzieren, oder das Aufbrechen von Blockaden mit Lasern. Um Letzteres zu demonstrieren, ersetzte das Team die Nitinolkerne der Fäden durch optische Fasern und fand das heraus Sie könnten den Roboter magnetisch führen und den Laser aktivieren, sobald er den Zielbereich erreicht.
Als die Forscher den mit Hydrogel beschichteten Roboterdraht mit dem unbeschichteten Roboterdraht verglichen, stellten sie fest, dass das Hydrogel dem Draht den dringend benötigten Gleitvorteil verlieh, sodass er durch engere Räume gleiten konnte, ohne hängen zu bleiben. Bei endovaskulären Eingriffen Diese Eigenschaft ist entscheidend, um Reibung und Schäden an der Gefäßauskleidung beim Durchführen des Fadens zu verhindern.
„Eine Herausforderung in der Chirurgie besteht darin, die komplexen Blutgefäße im Gehirn zu durchqueren, deren Durchmesser so klein ist, dass kommerzielle Katheter nicht erreichen können“, sagte Kyujin Cho, Professor für Maschinenbau an der Seoul National University.„Diese Studie zeigt, wie diese Herausforderung gemeistert werden kann.Potenzial und ermöglichen chirurgische Eingriffe im Gehirn ohne offene Operation.“
Wie schützt dieser neue Roboterfaden Chirurgen vor Strahlung? Der magnetisch steuerbare Führungsdraht macht es für Chirurgen überflüssig, den Draht in das Blutgefäß eines Patienten zu schieben, sagte Kim. Dies bedeutet, dass der Arzt auch nicht in der Nähe des Patienten sein muss , noch wichtiger, das Fluoroskop, das die Strahlung erzeugt.
In naher Zukunft stellt er sich eine endovaskuläre Chirurgie vor, bei der bestehende Magnettechnologien wie Paare großer Magnete integriert werden, sodass Ärzte außerhalb des Operationssaals, abseits von Fluoroskopen, die das Gehirn von Patienten abbilden, oder sogar an völlig anderen Orten sein können.
„Bestehende Plattformen können ein Magnetfeld an einen Patienten anlegen und gleichzeitig eine Durchleuchtung durchführen, und der Arzt kann das Magnetfeld mit einem Joystick in einem anderen Raum oder sogar in einer anderen Stadt steuern“, sagte Kim. „Das hoffen wir.“ Nutzen Sie im nächsten Schritt die vorhandene Technologie, um unseren Roboterfaden in vivo zu testen.“
Die Finanzierung der Forschung erfolgte teilweise durch das Office of Naval Research, das Soldier Nanotechnology Institute des MIT und die National Science Foundation (NSF).
Die Motherboard-Reporterin Becky Ferreira schreibt, dass MIT-Forscher einen Roboterfaden entwickelt haben, der zur Behandlung neurologischer Blutgerinnsel oder Schlaganfälle eingesetzt werden könnte. Roboter könnten mit Medikamenten oder Lasern ausgestattet werden, die „an Problembereiche des Gehirns abgegeben werden könnten.“Diese Art minimalinvasiver Technologie kann auch dazu beitragen, Schäden durch neurologische Notfälle wie Schlaganfälle zu mildern.“
MIT-Forscher haben einen neuen Faden der Magnetron-Robotik geschaffen, der sich durch das menschliche Gehirn schlängeln kann, schreibt Smithsonian-Reporter Jason Daley. „In Zukunft könnte er durch Blutgefäße im Gehirn wandern, um dabei zu helfen, Blockaden zu beseitigen“, erklärt Daly.
TechCrunch-Reporter Darrell Etherington schreibt, dass MI-Forscher einen neuen Roboterfaden entwickelt haben, der verwendet werden könnte, um Gehirnoperationen weniger invasiv zu machen. Etherington erklärte, dass der neue Roboterfaden „die Behandlung von zerebrovaskulären Problemen wie Blockaden und Blockaden möglicherweise einfacher und zugänglicher machen könnte.“ Läsionen, die zu Aneurysmen und Schlaganfällen führen können.“
MIT-Forscher haben einen neuen magnetisch gesteuerten Roboterwurm entwickelt, der eines Tages dazu beitragen könnte, Gehirnoperationen weniger invasiv zu machen, berichtet Chris Stocker-Walker vom New Scientist. Bei Tests an einem Siliziummodell des menschlichen Gehirns „kann sich der Roboter durch schwer zugängliche Bereiche winden“ Blutgefäße erreichen.“
Gizmodo-Reporter Andrew Liszewski schreibt, dass ein neues fadenförmiges Roboterwerk, das von MIT-Forschern entwickelt wurde, genutzt werden könnte, um Blockaden und Blutgerinnsel, die Schlaganfälle verursachen, schnell zu beseitigen. „Roboter könnten nicht nur Operationen nach einem Schlaganfall immer schneller machen, sondern auch die Strahlenbelastung reduzieren.“ die Chirurgen oft ertragen müssen“, erklärte Liszewski.