Магнитный микроробот с алюминиевой чешуей остановил кровотечение в желудке свиньи

Инженеры разработали и испытали прототип миниатюрного робота для биомедицинских целей, который управляется внешним магнитным полем и может выступать как нагревательный элемент в медицинских процедурах. Конструкция робота состоит из гибкого полимера с магнитными частицами и верхнего слоя с чешуей из алюминиевых пластин. Робот может адресно доставлять лекарства, останавливать внутренние кровотечения и помогать удалять опухоли. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

В последние годы активно развивается направление медицины, связанное с разработкой инструментов для малоинвазивной хирургии и адресной доставки лекарств внутри организма. Для этих задач отлично подходят миниатюрные роботы, управление которыми происходит с помощью внешнего магнитного поля. Оно свободно проникает через биологические ткани и позволяет управлять магнитными объектами в теле пациента с высокой точностью. Кроме контроля за положением инструмента в пространстве, магнитное поле может также использоваться и для его дистанционного нагрева, например, чтобы провести процедуры коагуляции крови для остановки внутренних кровотечений или для уничтожения опухолей. Однако, для этого робот должен иметь проводящие металлические элементы в конструкции, которые способны выделять джоулево тепло при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля.

Прототип такого робота разработали инженеры под руководством Метина Ситти (Metin Sitti) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Робот имеет прямоугольную форму 10 на 20 миллиметров толщиной 0,2 миллиметра. Он состоит из мягкого полимерного слоя из полидиметилсилоксана с включенными в него магнитными частицами и слоя алюминиевой чешуи толщиной 50 микрометров, которая состоит из вырезанных с помощью лазера пластин, закрепленных на полимерном слое таким образом, что каждый следующий элемент частично перекрывает предыдущий. Размещение металлических элементов, по словам авторов, напоминает расположение пластин, которыми покрыто тело панголина. Такая конструкция позволяет сохранить деформируемость, присущую мягким роботам, и одновременно увеличивает размер дистанционно нагреваемой области, роль которого играют алюминиевые пластины.

Нагрев пластин свыше 70 градусов Цельсия происходит с помощью переменного электромагнитного поля частотой 344 килогерц за время менее 30 секунд. Помимо медицинского назначения, повышение температуры можно использовать для изменения свойств робота. Например, при нагреве свыше температуры Кюри можно перевести магнитные частицы, заключенные в полимерную матрицу в парамагнитное состояние, и, тем самым, отключить робота. Он больше не будет реагировать на управляющее магнитное поле, которое в это время будет воздействовать, например, на второго робота. Также на лету можно изменять профиль намагниченности — распределение направлений векторов намагниченности частиц вдоль полимерной пластины. С помощью этого можно менять характер движений робота. Например, при гармоническом профиле намагниченности робот во внешнем магнитном поле будет изгибаться, сворачиваясь в трубку. Благодаря этому он может захватывать и перемещать внутри себя объекты.

Разработчики провели несколько опытов, используя желудок и кишечник свиньи в качестве модельных объектов, чтобы продемонстрировать биомедицинские возможности нового робота. Например, они показали остановку внутреннего кровотечения из открытой раны с помощью коагуляции крови возле нее нагревом. Другая способность робота заключается в доставке нескольких объектов в разные пункты назначения. Для этого пластины металлического слоя, к которым с помощью пчелиного воска с температурой плавления около 62 градусов Цельсия прикрепляют объекты, должны иметь разную толщину. Тогда они будут нагреваться до температуры плавления воска с разной скоростью, позволяя сбрасывать переносимые грузы отдельно в нужных точках.

Ранее мы рассказывали о разработанной инженерами MIT системе для дистанционного проведения хирургических эндоваскулярных операций. В ней также используется внешнее магнитное поле для управления магнитным хирургическим инструментом внутри кровеносных сосудов.