Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un sistema magnetico orientabile, robot filiforme che può scivolare attivamente attraverso stretti, percorsi tortuosi, come il sistema vascolare labirintico del cervello.

Nel futuro, questo filo robotico può essere abbinato alle tecnologie endovascolari esistenti, consentendo ai medici di guidare a distanza il robot attraverso i vasi cerebrali di un paziente per trattare rapidamente blocchi e lesioni, come quelli che si verificano negli aneurismi e nell'ictus.

"L'ictus è la quinta causa di morte e una delle principali cause di disabilità negli Stati Uniti. Se l'ictus acuto può essere trattato entro i primi 90 minuti circa, i tassi di sopravvivenza dei pazienti potrebbero aumentare significativamente, "dice Xuanhe Zhao, professore associato di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale al MIT. "Se potessimo progettare un dispositivo per invertire il blocco dei vasi sanguigni entro questa 'ora d'oro, ' potremmo potenzialmente evitare danni cerebrali permanenti. Questa è la nostra speranza".

Zhao e la sua squadra, tra cui l'autore principale Yoonho Kim, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, descrivere il loro morbido design robotico nel diario Robotica scientifica . Gli altri coautori del documento sono lo studente laureato del MIT German Alberto Parada e lo studente in visita Shengduo Liu.

In un punto stretto

Per eliminare i coaguli di sangue nel cervello, i medici spesso eseguono una procedura endovascolare, un intervento chirurgico minimamente invasivo in cui un chirurgo inserisce un filo sottile attraverso l'arteria principale di un paziente, di solito alla gamba o all'inguine. Guidato da un fluoroscopio che visualizza simultaneamente i vasi sanguigni utilizzando i raggi X, il chirurgo quindi ruota manualmente il filo nel vaso cerebrale danneggiato. Un catetere può quindi essere infilato lungo il filo per somministrare farmaci o dispositivi per il recupero di coaguli nella regione interessata.

Kim dice che la procedura può essere fisicamente faticosa, richiedono chirurghi, che devono essere specificamente formati nel compito, per sopportare l'esposizione ripetuta alle radiazioni da fluoroscopia.

"È un'abilità impegnativa, e semplicemente non ci sono abbastanza chirurghi per i pazienti, soprattutto nelle zone suburbane o rurali, " dice Kim.

I fili guida medici utilizzati in tali procedure sono passivi, il che significa che devono essere manipolati manualmente, e sono tipicamente costituiti da un nucleo di leghe metalliche, rivestito in polimero, un materiale che secondo Kim potrebbe potenzialmente generare attrito e danneggiare i rivestimenti dei vasi se il filo dovesse rimanere temporaneamente bloccato in uno spazio particolarmente stretto.

Il team si è reso conto che gli sviluppi nel loro laboratorio potrebbero aiutare a migliorare tali procedure endovascolari, sia nella progettazione del filo guida che nella riduzione dell'esposizione dei medici a qualsiasi radiazione associata.

Infilare un ago

Negli ultimi anni, il team ha accumulato esperienza sia negli idrogel, materiali biocompatibili fatti principalmente di acqua, sia nei materiali ad attivazione magnetica stampati in 3D che possono essere progettati per strisciare, salto, e anche prendere una palla, semplicemente seguendo la direzione di un magnete.

In questo nuovo documento, i ricercatori hanno unito il loro lavoro negli idrogel e nell'attuazione magnetica, per produrre un magneticamente orientabile, filo robotico rivestito di idrogel, o filo guida, che sono stati in grado di rendere abbastanza sottile da guidare magneticamente attraverso una replica in silicone a grandezza naturale dei vasi sanguigni del cervello.

Il nucleo della filettatura robotica è realizzato in lega di nichel-titanio, o "nitinolo, " un materiale che è allo stesso tempo flessibile ed elastico. A differenza di un appendiabiti, che manterrebbe la sua forma una volta piegato, un filo di nitinol ritornerebbe alla sua forma originale, dandogli più flessibilità nell'avvolgimento attraverso stretto, navi tortuose. La squadra ha ricoperto l'anima del filo con una pasta gommosa, o inchiostro, che hanno incorporato in tutto con particelle magnetiche.

Finalmente, hanno usato un processo chimico che hanno sviluppato in precedenza, per rivestire e incollare il rivestimento magnetico con idrogel, un materiale che non influisce sulla reattività delle particelle magnetiche sottostanti e tuttavia fornisce al filo una superficie liscia, senza attrito, superficie biocompatibile.

Hanno dimostrato la precisione e l'attivazione del filo robotico utilizzando un grande magnete, proprio come le corde di una marionetta, guidare il filo attraverso un percorso ad ostacoli di piccoli anelli, ricorda un filo che si fa strada attraverso la cruna di un ago.

I ricercatori hanno anche testato il filo in una replica in silicone a grandezza naturale dei principali vasi sanguigni del cervello, compresi coaguli e aneurismi, modellato sulle scansioni TC del cervello di un paziente reale. Il team ha riempito i vasi di silicone con un liquido che simula la viscosità del sangue, quindi ha manipolato manualmente un grande magnete attorno al modello per guidare il robot attraverso l'avvolgimento delle navi, sentieri stretti.

Kim dice che il thread robotico può essere funzionalizzato, il che significa che è possibile aggiungere funzionalità, ad esempio per somministrare farmaci che riducono la coagulazione o rompere i blocchi con la luce laser. Per dimostrare quest'ultimo, il team ha sostituito il nucleo di nitinol del filo con una fibra ottica e ha scoperto che potevano guidare magneticamente il robot e attivare il laser una volta che il robot avesse raggiunto una regione target.

Quando i ricercatori hanno confrontato il filo robotico rivestito rispetto a quello non rivestito con idrogel, hanno scoperto che l'idrogel dava al filo un aspetto tanto necessario, vantaggio scivoloso, permettendogli di scivolare attraverso spazi più ristretti senza rimanere bloccato. In un intervento di chirurgia endovascolare, questa proprietà sarebbe fondamentale per prevenire l'attrito e le lesioni ai rivestimenti dei vasi mentre il filo si fa strada.

E come può questo nuovo filo robotico mantenere i chirurghi liberi dalle radiazioni? Kim dice che un filo guida magneticamente orientabile elimina la necessità per i chirurghi di spingere fisicamente un filo attraverso i vasi sanguigni di un paziente. Ciò significa che anche i medici non dovrebbero essere nelle immediate vicinanze di un paziente, e, cosa più importante, il fluoroscopio che genera radiazioni.

Nel futuro prossimo, prevede interventi chirurgici endovascolari che incorporano le tecnologie magnetiche esistenti, come coppie di grandi magneti, le indicazioni di cui i medici possono manipolare appena fuori dalla sala operatoria, lontano dal fluoroscopio che visualizza il cervello del paziente, o anche in un luogo completamente diverso.

"Le piattaforme esistenti potrebbero applicare il campo magnetico ed eseguire la procedura di fluoroscopia contemporaneamente al paziente, e il dottore potrebbe essere nell'altra stanza, o anche in un'altra città, controllare il campo magnetico con un joystick, " Dice Kim. "La nostra speranza è di sfruttare le tecnologie esistenti per testare il nostro filo robotico in vivo nella fase successiva".