O fio robótico é projetado para deslizar através dos vasos sanguíneos do cérebro

Resumo: Um robô semelhante a um fio recém-projetado pode fornecer terapias de redução de coágulos em resposta a derrames ou outros bloqueios cerebrais.

Fonte: COM

Os engenheiros do MIT desenvolveram um robô orientável magneticamente, semelhante a um fio, que pode deslizar ativamente por caminhos estreitos e sinuosos, como a vasculatura labríntica do cérebro.

No futuro, este fio robótico pode ser combinado com tecnologias endovasculares existentes, permitindo aos médicos guiar remotamente o robô através dos vasos cerebrais de um paciente para tratar rapidamente bloqueios e lesões, como aqueles que ocorrem em aneurismas e derrames.

“O AVC é a quinta causa de morte e uma das principais causas de deficiência nos Estados Unidos. Se o AVC agudo puder ser tratado nos primeiros 90 minutos ou mais, as taxas de sobrevivência dos pacientes podem aumentar significativamente ”, diz Xuanhe Zhao, professor associado de engenharia mecânica e de engenharia civil e ambiental do MIT. “Se pudéssemos projetar um dispositivo para reverter o bloqueio dos vasos sanguíneos nesta ‘hora de ouro’, poderíamos potencialmente evitar danos cerebrais permanentes. Essa é a nossa esperança. ”

Zhao e sua equipe, incluindo o autor principal Yoonho Kim, um estudante de graduação no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, descrevem seu design robótico suave no jornal Ciência Robótica. Os outros co-autores do artigo são o estudante de graduação do MIT German Alberto Parada e o estudante visitante Shengduo Liu.

Em uma situação difícil

Para limpar os coágulos sanguíneos do cérebro, os médicos costumam realizar um procedimento endovascular, uma cirurgia minimamente invasiva em que o cirurgião insere um fio fino na artéria principal do paciente, geralmente na perna ou na virilha. Guiado por um fluoroscópio que faz imagens simultaneamente dos vasos sanguíneos usando raios-X, o cirurgião então gira manualmente o fio até o vaso cerebral danificado. Um cateter pode então ser enfiado ao longo do fio para entregar medicamentos ou dispositivos de remoção de coágulos para a região afetada.

Kim diz que o procedimento pode ser fisicamente desgastante, exigindo que os cirurgiões, que devem ser especificamente treinados na tarefa, suportem repetidas exposições à radiação da fluoroscopia.

“É uma habilidade exigente e simplesmente não há cirurgiões suficientes para os pacientes, especialmente em áreas suburbanas ou rurais”, diz Kim.

Os fios-guia médicos usados ​​em tais procedimentos são passivos, o que significa que devem ser manipulados manualmente, e normalmente são feitos de um núcleo de ligas metálicas, revestido em polímero, um material que Kim diz que poderia gerar atrito e danificar os revestimentos dos vasos se o fio fosse ficar temporariamente preso em um espaço particularmente apertado.

A equipe percebeu que os desenvolvimentos em seu laboratório poderiam ajudar a melhorar esses procedimentos endovasculares, tanto no projeto do fio-guia quanto na redução da exposição dos médicos a qualquer radiação associada.

Enfiar uma linha na agulha

Nos últimos anos, a equipe acumulou experiência em hidrogéis – materiais biocompatíveis feitos principalmente de água – e materiais impressos em 3D com atuação magnética que podem ser projetados para rastejar, pular e até mesmo pegar uma bola, simplesmente por seguindo a direção de um ímã.

Neste novo artigo, os pesquisadores combinaram seu trabalho em hidrogéis e em atuação magnética para produzir um fio-guia robótico revestido de hidrogel magneticamente orientável, ou fio-guia, que eles foram capazes de fazer fino o suficiente para guiar magneticamente através de uma réplica de silicone em tamanho real dos vasos sanguíneos do cérebro.

O núcleo do fio robótico é feito de liga de níquel-titânio, ou “nitinol”, um material que é flexível e flexível. Ao contrário de um cabide, que manteria sua forma quando dobrado, um fio de nitinol voltaria à sua forma original, dando-lhe mais flexibilidade para enrolar em vasos apertados e tortuosos. A equipe revestiu o núcleo do fio com uma pasta de borracha, ou tinta, que eles incorporaram com partículas magnéticas.

Por fim, eles usaram um processo químico que desenvolveram anteriormente para revestir e unir a cobertura magnética com hidrogel – um material que não afeta a capacidade de resposta das partículas magnéticas subjacentes e, ainda assim, fornece ao fio uma superfície lisa, livre de fricção e biocompatível.

Eles demonstraram a precisão e ativação do fio robótico usando um grande ímã, muito parecido com as cordas de uma marionete, para guiar o fio por uma pista de obstáculos de pequenos anéis, que lembra um fio passando pelo buraco de uma agulha.

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Os engenheiros do MIT desenvolvem um fio robótico magneticamente orientável (em preto), pequeno o suficiente para trabalhar em espaços estreitos, como a vasculatura do cérebro humano. Os pesquisadores prevêem que a tecnologia pode ser usada no futuro para limpar bloqueios em pacientes com acidente vascular cerebral e aneurismas. A imagem é creditada aos pesquisadores / MIT.

Os pesquisadores também testaram o fio em uma réplica de silicone em tamanho natural dos principais vasos sanguíneos do cérebro, incluindo coágulos e aneurismas, modelada a partir de tomografias computadorizadas do cérebro de um paciente real. A equipe encheu os vasos de silicone com um líquido simulando a viscosidade do sangue e, em seguida, manipulou manualmente um grande ímã ao redor do modelo para guiar o robô pelos caminhos estreitos e sinuosos dos vasos.

Kim diz que a linha robótica pode ser funcionalizada, o que significa que recursos podem ser adicionados – por exemplo, para fornecer medicamentos para redução de coágulos ou interromper bloqueios com luz laser. Para demonstrar o último, a equipe substituiu o núcleo de nitinol do fio por uma fibra óptica e descobriu que poderia dirigir o robô magneticamente e ativar o laser assim que o robô atingisse a região-alvo.

Quando os pesquisadores fizeram comparações entre o fio robótico revestido e o não revestido com hidrogel, eles descobriram que o hidrogel deu ao fio uma vantagem escorregadia muito necessária, permitindo que ele deslize por espaços mais apertados sem ficar preso. Em uma cirurgia endovascular, essa propriedade seria a chave para prevenir a fricção e ferimentos nos revestimentos dos vasos conforme o fio passa por ele.

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E como esse novo fio robótico pode manter os cirurgiões livres de radiação? Kim diz que um fio-guia magneticamente orientável elimina a necessidade de os cirurgiões empurrarem fisicamente um fio através dos vasos sanguíneos do paciente. Isso significa que os médicos também não precisariam estar próximos de um paciente e, mais importante, do fluoroscópio gerador de radiação.

Crédito: MIT

Em um futuro próximo, ele prevê cirurgias endovasculares que incorporam tecnologias magnéticas existentes, como pares de grandes ímãs, cujas direções os médicos podem manipular do lado de fora da sala de cirurgia, longe do fluoroscópio que imagina o cérebro do paciente, ou até mesmo em um localização diferente.

“As plataformas existentes poderiam aplicar o campo magnético e fazer o procedimento de fluoroscopia ao mesmo tempo no paciente, e o médico poderia estar na outra sala, ou mesmo em uma cidade diferente, controlando o campo magnético com um joystick”, diz Kim. “Nossa esperança é aproveitar as tecnologias existentes para testar nossa linha robótica in vivo na próxima etapa.”

Financiamento: Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Office of Naval Research, pelo MIT Institute for Soldier Nanotechnologies e pela National Science Foundation (NSF).

Sobre este artigo de pesquisa em neurociência

Fonte:
COM
Contatos de mídia:
Abby Abazorius – COM
Fonte da imagem:
A imagem é creditada aos pesquisadores / MIT.

Pesquisa original: Acesso livre
“Robôs de continuum suave ferromagnéticos”. Yoonho Kim, German A. Parada, Shengduo Liu e Xuanhe Zhao.
Ciência Robótica. doi: 10.1126 / scirobotics.aax7329

Resumo

Robôs de continuum suave ferromagnéticos

Robôs de continuum suave em pequena escala, capazes de direção e navegação ativas de maneira controlável remotamente, são muito promissores em diversas áreas, especialmente em aplicações médicas. Os robôs contínuos existentes, no entanto, são frequentemente limitados a escalas milimétricas ou centimétricas devido aos desafios de miniaturização inerentes aos mecanismos de atuação convencionais, como puxar fios mecânicos, inflar câmaras pneumáticas ou hidráulicas ou incorporar ímãs rígidos para manipulação. Além disso, o atrito experimentado pelos robôs do contínuo durante a navegação representa outro desafio para suas aplicações. Aqui, apresentamos um robô contínuo suave autolubrificante em escala submilimétrica com recursos de direção e navegação omnidirecionais baseados na atuação magnética, que são habilitados pela programação de domínios ferromagnéticos em seu corpo mole enquanto cresce a pele de hidrogel em sua superfície. O corpo do robô, composto por um continuum homogêneo de uma matriz polimérica macia com micropartículas ferromagnéticas uniformemente dispersas, pode ser miniaturizado abaixo de algumas centenas de micrômetros de diâmetro, e a pele de hidrogel reduz o atrito em mais de 10 vezes. Demonstramos a capacidade de navegar por ambientes complexos e restritos, como um fantasma cerebrovascular tortuoso com múltiplos aneurismas. Demonstramos ainda funcionalidades adicionais, como aplicação de laser dirigível por meio de um núcleo funcional incorporado ao corpo do robô. Dada sua atuação compacta e autocontida e manipulação intuitiva, nossos robôs de continuum macio ferromagnético podem abrir caminhos para a cirurgia robótica minimamente invasiva para lesões anteriormente inacessíveis, abordando assim desafios e necessidades não atendidas na área de saúde.

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