血管內(nèi)介入治療如取栓和藥物遞送需要高精度的柔性導(dǎo)管工具，但現(xiàn)有方法難以在復(fù)雜血管環(huán)境下實現(xiàn)快速、安全、有效的導(dǎo)航，容易導(dǎo)致介入失敗或預(yù)后不良。因此，開發(fā)具有高級操控能力、柔軟且微型化的導(dǎo)管成為研究熱點（Sci. Robot.9,eadh0298，2024，Sci. Robot.4,eaax7329，2019.）。磁控技術(shù)為血管內(nèi)介入微導(dǎo)管提供了非接觸式、靈活操控的可能性，能夠借助磁場實現(xiàn)多自由度控制和穩(wěn)定控制，有助于提高介入手術(shù)的成功率和安全性。

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)科主任梁慧康教授開發(fā)了一款高靈活性、具有多種治療功能集成的亞毫米級磁控微導(dǎo)管，用于主動導(dǎo)航到狹窄曲折的血管區(qū)域并提高疾病的治療效率，從而推動血管內(nèi)介入的高效性與微創(chuàng)化發(fā)展，為臨床復(fù)雜血管疾病的治療提供新方案。相關(guān)研究成果以 “A magnetically actuated microcatheter with soft rotatable tip for enhanced endovascular access and treatment efficiency”為題發(fā)表于國際著名期刊《Science Advances》。

圖1.亞毫米級磁控微導(dǎo)管的設(shè)計原理和功能示意圖

本文提出的亞毫米磁控軟質(zhì)機(jī)器人導(dǎo)管（MSRM）的高可達(dá)性和多功能整合得益于磁控可旋轉(zhuǎn)頭部的設(shè)計。如圖1所示，MSRM集成了螺旋形彈性套筒和微型永磁體，直徑僅800微米，尺寸接近神經(jīng)血管導(dǎo)絲，能夠主動導(dǎo)航進(jìn)入細(xì)小血管。性能方面，微導(dǎo)管具備出色的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動能力，旋轉(zhuǎn)磁場下尖端能有效產(chǎn)生推動和吸引流體的“泵送效應(yīng)”，遞送效率可達(dá)常規(guī)藥物遞送方法的10倍，顯著提升導(dǎo)管的局部藥物輸送能力。此外，通過控制旋轉(zhuǎn)方向，微導(dǎo)管可實現(xiàn)血栓機(jī)械破碎及碎片吸引回收，提升血栓清除的效果和安全性。導(dǎo)航性能上，旋轉(zhuǎn)輔助使其能夠順利通過多個銳角血管分支，避免了傳統(tǒng)靜態(tài)磁場引導(dǎo)下導(dǎo)管的彎曲和卡頓問題，導(dǎo)航速度提高約50%以上。

旋轉(zhuǎn)輔助主動轉(zhuǎn)向策略能夠顯著提升微導(dǎo)管在復(fù)雜血管環(huán)境中的導(dǎo)航性能。通過施加旋轉(zhuǎn)磁場，微導(dǎo)管能夠有效釋放尖端接觸血管壁時產(chǎn)生的摩擦力，避免了傳統(tǒng)方向磁場導(dǎo)航中常見的尖端卡頓、導(dǎo)管受力積累及彎曲壓潰等問題。實驗結(jié)果顯示，該方法能將微導(dǎo)管的可達(dá)工作空間擴(kuò)大最多50%，極大地提升了穿越狹窄分支和急轉(zhuǎn)彎的能力。此外，在1：1人腦血管模型中，旋轉(zhuǎn)輔助轉(zhuǎn)向策略能夠提高轉(zhuǎn)彎效率2倍以上。與傳統(tǒng)的手動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)管或者靜態(tài)磁場驅(qū)動相比，旋轉(zhuǎn)輔助導(dǎo)航所需的插入力顯著降低，減少了血管壁損傷風(fēng)險。長距離導(dǎo)航實驗進(jìn)一步驗證了該策略能維持微導(dǎo)管在遠(yuǎn)端血管區(qū)域的可操控性和旋轉(zhuǎn)能力，實現(xiàn)了近300毫米的連續(xù)復(fù)雜血管路徑的導(dǎo)航。綜上，旋轉(zhuǎn)輔助主動轉(zhuǎn)向不僅提升了微導(dǎo)管的導(dǎo)航效率和可達(dá)范圍，還有效降低了操作難度和風(fēng)險，為臨床微創(chuàng)介入治療中的精準(zhǔn)導(dǎo)引提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持

圖2.主動轉(zhuǎn)向策略的原理與實驗驗證

MSRM在醫(yī)療功能設(shè)計方面具備多重創(chuàng)新，旨在提升血管介入治療的效率與安全性。通過結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械作用與局部藥物釋放，實現(xiàn)高效的血栓治療效果。體外實驗顯示，結(jié)合溶栓藥物和機(jī)械作用的治療速度比單純使用溶栓藥物快約三倍，顯著提升治療效率。此外，機(jī)械摩擦速率對血栓清除效果具有明確促進(jìn)作用且對不同硬度，不同長度的血栓的清除效率均表現(xiàn)出良顯著提升。此外，該方法能夠有效降低溶栓藥物劑量，顯著降低傳統(tǒng)溶栓治療的出血風(fēng)險。治療過程通過結(jié)合機(jī)械及藥物手段，不僅提高了藥物在局部的濃度和作用效率，還加快了清除速度，表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)管定向溶栓和系統(tǒng)性用藥的優(yōu)異性能。

3. MSRM螺旋形頭部流體與治療功能設(shè)計與仿真結(jié)果。

MSRM的可達(dá)性增強(qiáng)和血栓處理效果在活體動物試驗中的到了驗證。實驗中，微導(dǎo)管成功穿梭于兔股動脈至腎動脈的復(fù)雜血管路徑，實現(xiàn)精確定位目標(biāo)區(qū)域。旋轉(zhuǎn)輔助導(dǎo)航使插入過程更順暢，減少導(dǎo)管體張力和操作時間，避免了傳統(tǒng)靜態(tài)磁場下的導(dǎo)管彎曲和堵塞現(xiàn)象。在血栓清除過程中，微導(dǎo)管配合局部低劑量溶栓劑，利用5 Hz旋轉(zhuǎn)磁場作用15分鐘內(nèi)實現(xiàn)血栓完全溶解，血管腔道恢復(fù)通暢。術(shù)后影像確認(rèn)血栓已消失，無明顯血管狹窄或殘留血栓碎片。流體注入測試亦驗證血管管腔恢復(fù)。整體治療過程顯示出高效、快速、無創(chuàng)的血栓清除效果，相較傳統(tǒng)方法顯著縮短治療時間，降低并發(fā)癥風(fēng)險。此外，導(dǎo)管導(dǎo)航和治療的重復(fù)性良好，顯示出穩(wěn)定性和臨床轉(zhuǎn)化潛力。

圖4.活體動物實驗的設(shè)計示意圖和驗證結(jié)果

總結(jié)而言，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。

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。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv1682