Читать часть 1
Читать часть 2
Разработка и изготовление магнитных микророботов
Использование магнитных полей для маневрирования микророботами в организме человека является выгодным подходом в силу их биосовместимости и безопасности (организм человека “прозрачен” для магнитного поля, что означает отсутствие взаимодействия между тканями и квазистатическими полями). Эта тема широко исследована и хорошо изучена, и некоторые компании в настоящее время коммерчески используют эту концепцию лечения в сердечно-сосудистой системе с помощью связанных катетеров.
Магнитные микророботы были изготовлены с различными характеристиками и формами для различных медицинских целей. Для решения задач микроманипуляции или разрушения камней в почках были предложены:
- спиральные пловцы с биологическим вдохновением,
- исследованы бусины различных размеров с конечной целью кардиоваскулярных вмешательств,
- даже изучены гибридные бактерии/искусственные наноактуаторы для работы в сосудах человека.
Группа исследователей представила платформы для медицинского применения в глазах, конечной целью которых является предоставление альтернативного лечения. Первые прототипы состояли из коммерческих ферромагнитных стальных шариков диаметром 3 мм, покрытых окунанием с кислородно-чувствительным флуоресцентным покрытием, и предложенных в качестве дистанционных оптических датчиков для гипоксии. Размер был выбран в качестве компромисса между минимальной инвазивностью и высоким отношением сигнал/шум. В исследовании оценивались проблемы магнитного контроля и визуального слежения в жидких средах, таких как стекловидный юмор. Более сложная конструкция предполагала использование платформы для одновременной доставки препарата, растворяющего тромб, и канюляции сетчатки.
Для микропроизводства 3D магнитных устройств сложной формы можно использовать несколько методов, включая:
- осаждение тонких пленок,
- распыление,
- 3D-печать,
- стереолитографию,
- мягкую литографию.
Однако получение толстых, высококачественных, хорошо контролируемых месторождений с помощью этих методов сопряжено с трудностями.
Электроосаждение является высоконадежной и гибкой альтернативой для этих задач, так как имеет высокую скорость осаждения, не требует специальных средств, относительно низкую стоимость, совместима с изготовлением схем и разнообразием органических и неорганических материалов. Поэтому данная технология была использована для производства различных прототипов магнитных многофункциональных микророботов. Устройства первого поколения состояли из нескольких никелированных деталей с гальваническим покрытием, собранных вместе и образующих эллипсоид длиной 2,5 мм и шириной 1,25 мм. Изготовление деталей осуществлялось комбинированным процессом фотолитографии (для выборочного определения токопроводящих областей на кремниевой пластине) и электроосаждения и высвобождения путем селективного травления жертвенного слоя. Впоследствии они были покрыты слоем диоксида титана или слоем золота для целей биосовместимости. Их размер и форма были выбраны для оптимизации магнитного рулевого управления и генерации усилия, и в то же время для обеспечения большой поверхности для функционализации.
Устройства, управляемые в пятиградусной электромагнитной системе DOF, были способны приложить достаточно усилий для прокола больших кровеносных сосудов в эмбрионе цыпленка или обнаружения концентрации кислорода в жидкой среде за несколько секунд.
Недавно было предложено второе поколение магнитных микророботов, специально предназначенных для доставки лекарств.
Трубчатые полые микроцилиндры изготавливались методом гальваностатического гальваноформирования кобальтоникеля (CoNi) на жертвенной оправке, покрытой слоем посевного золота. С помощью импульсного осаждения была получена гладкая отделка поверхности, а выпадение постоянного тока привело к неравномерным, ямчатым отложениям. После осаждения проволока была выборочно вытравлена, образуя полый просвет. Предпочтительна трубчатая форма, поскольку она увеличивает объем магнитного материала, который может быть установлен в иглу 23 калибра (наружный диаметр устройства 0,6 мм, сопоставимый с размерами коммерческих внутривитреальных имплантатов) и позволяет загружать препараты в трубку. Эта новая конструкция была использована для экспериментов по мобильности в глазах животных.
Эксперименты по мобильности с микророботами для минимально инвазивной интраокулярной терапии
Специально для безудержного магнитного контроля не привязанных микророботов в глазу была разработана и внедрена пятипроцессорная электромагнитная система DOF. Система состоит из восьми электромагнитов в полусферическом расположении, которые соответствуют геометрии головы, шеи и плеч небольшого животного. OctoMag предназначен для офтальмоскопа, оснащенного камерой, расположенной вдоль центральной оси для отображения микророботов в глазах. Вводя различные электрические токи в отдельные электромагниты, эффективные магнитные поля и градиенты накладываются в рабочей области. Регулируя магнитные поля и градиенты магнитного поля, беспроводной мягкомагнитный микроробот испытывает развязку крутящего момента и силы, соответственно.
Таким образом, микроробот может управляться (вращение и перемещение) в трех измерениях, управляя токами в восьми катушках. Недавно система была использована для исследования подвижности и манипулируемости в стекловидном лапине.
Микроробот был введен в глазной глобус белого новозеландского кролика с анестезией с помощью шприца, оснащенного иглой 23 калибра, что соответствует ограничениям по размеру для бесшовного внутривенного введения. Впоследствии голову кролика поместили в рабочее пространство системы электромагнитной манипуляции. После инъекции магнитные крутящие моменты и силы прилагались к внутриглазному микророботу, а офтальмоскоп со встроенной камерой наблюдал за рабочим пространством и компьютер отслеживал движение. Микроробот вращался в результате вращения магнитного поля (0,05 - 2 Гц и магнитуды магнитного поля 10 - 40 мТл) и переводился в результате воздействия градиентов поля (от 0 до 500 мТл/м).
После экспериментов микроробот был убран с помощью специального магнитного инструмента 23 калибра. Когда вращающееся магнитное поле было применено, внутривитреальным микророботом следовало вращение поля с временной задержкой, пропорциональной частоте вращения поля. Временная задержка между вращающимся полем и микророботом обусловлена высокой вязкостью стекловидного юмора, который действует на микроробота в качестве амортизатора.
Установлено, что вращательная маневренность внутривитреального микроробота коррелирует с частотой поля, но не с изученными магнитудами поля. Эксперименты показали, что микроробот транслируется как функция градиента приложенного магнитного поля, генерируемого системой электромагнитного управления. Общее увеличение трансляции наблюдалось в результате увеличения градиентов поля, тогда как в ходе нескольких экспериментов было замечено, что микроробот запутывался в пучках коллагеновых волокон в стекловолокне кролика, что приводило к снижению трансляционной подвижности.
Тем не менее, эксперименты в кроличьих глазах демонстрируют общую осуществимость управления микророботом по беспроводной связи в трехмерном пространстве внутри стекловидного тела. Признаков немедленного воспаления глаз не наблюдалось, что подтверждает возможность использования этой технологии для краткосрочных и долгосрочных вмешательств в глаза.
