香港中文大學3D打印小尺度機器人及其在血栓定位與加速溶栓的應用

血栓癥是一種常見的血管內疾病，具有多種臨床表現和并發癥，例如心梗、中風及肺栓塞等，嚴重危害病人的生命健康及生活質量。傳統治療方案常先通過注射溶栓藥物或導管介入技術去除血栓，接著使用抗凝藥物預防二次堵塞。然而溶栓藥物缺乏靶向性，無法主動在血栓部位富集，且高濃度的藥物易引發內出血和血壓波動，因此難以高效安全地完成去除血栓的任務。導管介入技術則對操作者的經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，小尺度機器人系統在狹窄閉塞的生物環境中展現出令人矚目的應用前景，已有研究人員開發出可破壞血栓結構的微型機器人。然而，如何在動態血流環境中實現小尺度機器人的可控靶向遞送和實時狀態監測仍是一個巨大挑戰，這極大地限制了它們在血栓治療中的進一步應用。

近日，香港中文大學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，采用動態磁場進行自動化遞送，同時采用超聲成像進行實時的機器人定位及環境監測。機器人能夠實時定位血栓位置，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，同時也為小尺度機器人在生物醫學領域的應用開辟道路。相關研究結果以“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow"為題發表于國際著名期刊《ACS Nano》。

該工作使用面投影微立體光刻技術(nanoArch S130, 摩方精密)打印了螺旋形微機器人，并預留磁性物質的嵌入空間。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、長度7.30 mm。實驗結果顯示，螺旋形機器人在血液環境及血流環境中表現出極.好的結構穩定性，在溶除血栓任務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行尺寸縮放，以期應用于不同的狹窄生物環境中。

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圖像引導機器人遞送、溶栓方案的可行性。通過實時監測機器人的運動狀態以及機器人誘導產生的多普勒超聲信號，研究人員在類血管復雜動態環境中成功實現血栓堵塞部位的定位。機器人在磁場驅動下能夠產生強對流加速溶栓因子的物質交換，同時對血液-血栓界面施加剪切力促進溶栓產物的去除。實驗結果表明，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%，且不產生明顯的血栓碎片，降低了二次堵塞的風險。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，有望為外場驅動的小尺度機器人在生物醫學領域的應用提供新的思路。

圖1.螺旋形機器人在動態、類血管環境中的自動化導航整體方案

圖2.螺旋形機器人在血流環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驗驗證。

圖4. 機器人在類血管系統中的自動化導航(逆流而上及順流而下)及實時定位。

圖5. 多普勒信號引導的血栓定位及加速溶栓應用。