港中大+港理工：3D打印亞毫米磁控微導(dǎo)管，破解血管內(nèi)精準(zhǔn)介入難題

來源：摩方精密  

現(xiàn)有的導(dǎo)管技術(shù)在微小且復(fù)雜的血管系統(tǒng)中存在進(jìn)入困難、操作效率低以及對血管組織損傷風(fēng)險較高等問題，限制了內(nèi)血管治療的廣泛應(yīng)用和效果提升。盡管微導(dǎo)管已成為神經(jīng)血管、心血管等微細(xì)血管的靶向介入治療的重要工具，但由于血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜和血流環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)微導(dǎo)管難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控與多功能治療。因此，開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確導(dǎo)航、有效治療且具有良好組織兼容性的微導(dǎo)管系統(tǒng)成為實(shí)際臨床需求的迫切方向，為卒中、動脈閉塞等血管疾病的微創(chuàng)治療提供新的技術(shù)支持。

近期，香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化工程學(xué)系張立教授團(tuán)隊與香港理工大學(xué)楊立冬助理教授聯(lián)合香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院內(nèi)科及藥物治療學(xué)系腦神經(jīng)科助理教授葉耀明醫(yī)生、香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院內(nèi)科及藥物治療學(xué)系利國偉腦神經(jīng)學(xué)教授及腦神經(jīng)科主任梁慧康教授在《Science Advances》期刊上在線發(fā)表題為“A magnetically actuated microcatheter with soft rotatable tip for enhanced endovascular access and treatment efficiency” 的原創(chuàng)性論著。香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化系博士后張沫艽博士為論文第一作者，香港理工大學(xué)楊立冬助理教授，香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院內(nèi)科及藥物治療學(xué)系腦神經(jīng)科助理教授葉耀明醫(yī)生、香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院內(nèi)科及藥物治療學(xué)系利國偉腦神經(jīng)學(xué)教授及腦神經(jīng)科主任梁慧康教授和香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化系張立教授為論文共同通訊作者。

該研究提出了一種基于3D打印技術(shù)制造的亞毫米級磁控軟旋轉(zhuǎn)微導(dǎo)管，成功實(shí)現(xiàn)了在狹窄復(fù)雜血管中的高精度導(dǎo)航與多功能一體化治療。通過采用3D打印工藝精確構(gòu)建低剛度且可旋轉(zhuǎn)的螺旋柔性導(dǎo)管頭部，實(shí)現(xiàn)了柔性材料與微尺度結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，不僅提升了導(dǎo)管的可控性和安全性，還顯著增強(qiáng)了藥物與血栓的作用效率及機(jī)械血栓破碎能力，為血管介入手術(shù)中的微創(chuàng)治療提供了高效且創(chuàng)新的技術(shù)方案，推動了軟體醫(yī)療機(jī)器人在臨床中的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

該磁控軟旋轉(zhuǎn)微導(dǎo)管的制作過程基于結(jié)合3D打印與翻模工藝，首先利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制造出導(dǎo)管頭部的模具，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)的精細(xì)成形。隨后采用軟性硅膠材料（PDMS）進(jìn)行倒模成型，得到低剛度且具有旋轉(zhuǎn)能力的螺旋形導(dǎo)管外殼，該設(shè)計有效避免了傳統(tǒng)硬質(zhì)結(jié)構(gòu)對血管壁的硬性接觸，提升了血管組織的安全性。導(dǎo)管內(nèi)部嵌入永久磁鐵和微型球形關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管頭部的三維旋轉(zhuǎn)自由度。整個微導(dǎo)管的外徑控制在800微米以內(nèi)，兼具足夠的推送力和柔性，能夠適應(yīng)血管的復(fù)雜曲折結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1. 亞毫米級磁控微導(dǎo)管的加工方法。

在導(dǎo)航實(shí)驗中，利用機(jī)器人臂控制的五自由度磁體系統(tǒng)產(chǎn)生定向和旋轉(zhuǎn)磁場，實(shí)現(xiàn)微導(dǎo)管頭部的精準(zhǔn)定位和方向控制。實(shí)驗設(shè)置包括人腦血管硅膠仿真模型，涵蓋多處狹窄且角度尖銳的分支，通過旋轉(zhuǎn)輔助導(dǎo)航策略減少導(dǎo)管尖端與血管壁的摩擦阻力，有效防止導(dǎo)管體的彎曲和卡阻。結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)輔助方法使導(dǎo)管在多重急轉(zhuǎn)彎的血管模型中通行更加順暢，導(dǎo)航效率較傳統(tǒng)靜態(tài)磁場引導(dǎo)提升約50%，且插入力顯著降低，驗證了微導(dǎo)管設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中高效且安全的導(dǎo)航性能。此外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還能促進(jìn)流體在導(dǎo)管工作腔的輸送，增強(qiáng)藥物輸送效能(圖2)。

圖2. 主動轉(zhuǎn)向策略的原理與實(shí)驗驗證。

該研究開發(fā)的磁控軟旋轉(zhuǎn)微導(dǎo)管（MSRM）具備多項創(chuàng)新醫(yī)療功能，顯著提升血管內(nèi)介入治療的效率和安全性。首先，微導(dǎo)管通過旋轉(zhuǎn)輔助主動轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)對狹窄、復(fù)雜、曲折血管的高效導(dǎo)航，減少導(dǎo)管尖端與血管壁的摩擦，避免彎曲和卡阻，保障在直徑小于2毫米的遠(yuǎn)端血管中的優(yōu)異通達(dá)能力。其次，該導(dǎo)管集成了多種治療功能，包括藥物輸送、機(jī)械血栓破碎和血栓碎片回收。導(dǎo)管頭部的旋轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)不僅能夠促進(jìn)藥物與血栓的高效接觸，加快溶栓速度，還能通過機(jī)械摩擦作用物理破壞血栓，提高溶栓治療的總體效果。此外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的流體動力能夠逆向輸送血栓碎片，配合吸引裝置實(shí)現(xiàn)血栓碎片的安全回收，降低血管堵塞和遠(yuǎn)端栓塞風(fēng)險。這種藥物-機(jī)械聯(lián)合治療策略有效克服了單純藥物溶栓或機(jī)械治療的局限。最后，導(dǎo)管柔軟的旋轉(zhuǎn)頭部設(shè)計和溫和的操作模式降低了血管損傷風(fēng)險，符合臨床對微創(chuàng)、安全性的需求。動物體內(nèi)及人體血管模型中的實(shí)驗證明了MSRM在血栓清除和遠(yuǎn)端血管訪問上的高效性和安全性，有望為卒中及其他血管疾病提供更加精準(zhǔn)、快速且低創(chuàng)傷的介入治療手段（圖3）。

圖3. MSRM 螺旋形頭部流體與治療功能設(shè)計與仿真結(jié)果。

在新西蘭兔體內(nèi)實(shí)驗中，MSRM微導(dǎo)管成功實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜血管分支的高效導(dǎo)航，旋轉(zhuǎn)輔助主動彎曲策略使導(dǎo)航速度提升約50%，顯著降低了導(dǎo)管張力和卡阻風(fēng)險。結(jié)合局部注射溶栓藥物，微導(dǎo)管通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)輔助快速分解和清除血栓，血栓在15分鐘內(nèi)顯著消除，且未觀察到血管損傷或并發(fā)癥。實(shí)驗結(jié)果表明，MSRM具備優(yōu)異的操作性能和良好的生物相容性，體現(xiàn)了其在微血管導(dǎo)航及血栓治療中的高效性和安全性（圖4）。

圖4. 活體動物實(shí)驗的設(shè)計示意圖和驗證結(jié)果。

MSRM制備方法：通過摩方面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2μm）制備負(fù)模，隨后用非磁性夾具固定負(fù)模，注入預(yù)制的PDMS液體，并在負(fù)模內(nèi)嵌入微型永磁體，固化3小時。脫模后獲得軟性螺旋形導(dǎo)管尖端，球形關(guān)節(jié)腔及中空關(guān)節(jié)采用摩方微納3D打印技術(shù)制備，最終通過手動組裝，完成可旋轉(zhuǎn)的軟性微導(dǎo)管尖端。

總結(jié)：本文提出了一種具備軟質(zhì)可旋轉(zhuǎn)末端的磁控微導(dǎo)管，旨在提升血管內(nèi)介入的可達(dá)性和治療效率。該微導(dǎo)管通過旋轉(zhuǎn)輔助自主轉(zhuǎn)向，顯著改善了在狹窄彎曲血管中的導(dǎo)航能力。實(shí)驗證明其在體外腦血管模型和活體動物中表現(xiàn)出優(yōu)異的操控性和導(dǎo)航能力，有望推動磁控微型醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展與臨床應(yīng)用。

這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創(chuàng)新科技署（ITC）、中大天石機(jī)器人研究所、中大-中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院機(jī)器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗室、創(chuàng)新香港研發(fā)平臺（InnoHK）的醫(yī)療機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)中心（MRC）的支持。該工作得到新加坡南洋理工大學(xué)沈祖堯教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授的大力合作和幫助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv1682