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【材制·視角】血管里的“線性機(jī)器人”

2021-06-05 11:07 作者:青春材制 0人讀過(guò) | 我要投稿

初原載于愛學(xué)習(xí)的青春材制

2021-6-4

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　　1990-2017年中國(guó)居民疾病譜顯示，中風(fēng) （Stroke）已經(jīng)成為國(guó)人死亡的頭號(hào)誘因，中風(fēng)在美國(guó)也是致殘的頭號(hào)疾病。動(dòng)脈阻塞引起的缺血性中風(fēng)約占總數(shù)的 85％，作為威脅人類健康的重要?dú)⑹?，亟待及時(shí)有效的治療手段。目前主要的治療手段是血管介入微創(chuàng)手術(shù)

?? ?血管介入微創(chuàng)手術(shù)可通過(guò)擴(kuò)張狹窄動(dòng)脈、改善局部血供等途徑有效預(yù)防、治療缺血性血管病。但是這種操作很難一次成功，導(dǎo)致整個(gè)手術(shù)過(guò)程很長(zhǎng)。然而，急性缺血性腦血管病在發(fā)病后早一秒重建缺血部位血液循環(huán)，患者受損傷的腦組織就更少，康復(fù)情況也會(huì)更好。那么怎樣才能改善這個(gè)問題呢？

　遠(yuǎn)程磁控軟體導(dǎo)絲機(jī)器人的想法應(yīng)運(yùn)而生。

　　相比之下，現(xiàn)有的手動(dòng)導(dǎo)絲前進(jìn)中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦。在分叉處需要手動(dòng)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)絲來(lái)選擇前進(jìn)方向。前進(jìn)過(guò)程比磁控軟體導(dǎo)絲機(jī)器人慢很多，而且不能到達(dá)復(fù)雜的微小血管分叉。

　　目前人們還有在磁控軟體導(dǎo)絲機(jī)器人中加入光導(dǎo)纖維的設(shè)想。這樣當(dāng)機(jī)器人達(dá)到患處時(shí)，有可能用激光來(lái)處理堵塞淤血等。

　　這么厲害的機(jī)器人，其功能到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這就要輪到我們今天的主角上場(chǎng)了。

神奇的鎳鈦合金

　　這項(xiàng)技術(shù)得以開展，是由于它所使用的鎳鈦合金材料的特殊性能。鎳鈦合金（NiTi）隸屬眾多形狀記憶合金（Shape Memory Alloys,簡(jiǎn)稱SMA）的一種，是一種可以記憶形狀并且彈性超高的材料。這種材料早在1930年就被人們所發(fā)現(xiàn)和利用，目前具有廣泛的前景和市場(chǎng)。

01

特性

（１）形狀記憶效應(yīng)

　　這種材料的變形完全由溫度調(diào)控，可謂相當(dāng)神奇：在某一低溫條件下，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力會(huì)使其發(fā)生變形。而在加熱升溫后，卻又可以消除其在較低溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)變形前的原始形狀。

（2）超彈性

　　超彈性，顧名思義就是不遵循普通的彈性變化規(guī)律，我們都學(xué)過(guò)的胡克定律對(duì)于鎳鈦合金已經(jīng)不再適用。這就意味著鎳鈦合金在外力的作用下可以產(chǎn)生遠(yuǎn)大于常規(guī)材料彈性極限的變量，是具有優(yōu)良力學(xué)特性的一種材料。

（3）抗腐蝕性

　　耐腐蝕性能是生物醫(yī)用材料的一個(gè)重要參數(shù)。如果醫(yī)用材料發(fā)生腐蝕，則容易破壞植入器械的使用性能，例如器械斷裂或者塌陷，更有甚者，會(huì)導(dǎo)致血液中的金屬離子析出，對(duì)身體形成危害。

　　鎳鈦合金本身具有很好的抗腐蝕性。這是因?yàn)殒団伜辖鸬慕饘俦砻嬖谂c氧氣接觸后會(huì)形成一層二氧化鈦氧化膜，增加了鎳鈦合金表面層的穩(wěn)定性，起到物理和化學(xué)屏障的作用。

02

目前醫(yī)學(xué)應(yīng)用

　　由于鎳鈦合金絲非常柔軟，在介入手術(shù)中可起引導(dǎo)作用，用于制作各種導(dǎo)管、導(dǎo)絲和縫合針等。鎳鈦形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已有 40 年的歷史，其臨床使用的安全性和有效性得到了業(yè)內(nèi)認(rèn)可，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。隨著人口老齡化加速，心腦血管疾病、糖尿病等疾病發(fā)病率越來(lái)越高，支架應(yīng)用部位越來(lái)越廣泛，全球市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，其中近一半的支架產(chǎn)品是由鎳鈦合金制成。

線性機(jī)器人運(yùn)作原理解釋

　　這款被稱為“線性機(jī)器人”的產(chǎn)品，其實(shí)質(zhì)是合金制成在血管中精準(zhǔn)穿行的導(dǎo)管，接下來(lái)我們就來(lái)看一下這個(gè)“機(jī)器人”是怎樣運(yùn)作的。

　　人的大腦有著非常復(fù)雜的構(gòu)造，顱內(nèi)血管不僅脆薄，而且形狀迂回。所以需要進(jìn)入大腦的導(dǎo)管足夠柔韌、可以隨意變形，適應(yīng)各種形態(tài)的血管，因此這就用到了具有優(yōu)異的形狀記憶性能和超彈性的鎳鈦合金材料。因此，用鎳鈦合金制成的“線”便可以隨意自如地穿梭在復(fù)雜的腦血管中了。

　　“機(jī)器人”最大的特點(diǎn)就是可操控性，得到指示便可以完成相應(yīng)的任務(wù)。在這個(gè)研發(fā)中，醫(yī)生可以通過(guò)磁力控制導(dǎo)管的方向，讓導(dǎo)管穩(wěn)定、精準(zhǔn)地完成任務(wù)。

　　為對(duì)比磁力控制的有效性，下圖實(shí)驗(yàn)中將有磁力控制（左側(cè)）和沒有磁力控制（右側(cè)）的兩次操作進(jìn)行了對(duì)比。在同樣的時(shí)間內(nèi)，有磁力控制的導(dǎo)管穿行的更迅速，可以大大縮短手術(shù)時(shí)間。

　　而具備磁力控制的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)不止于此。在傳統(tǒng)的介入手術(shù)中，需要通過(guò)一種造影的方式，它會(huì)給操作醫(yī)生和患者帶來(lái)輻射的危害。而利用磁場(chǎng)遠(yuǎn)程控制導(dǎo)管的行進(jìn)方向，再結(jié)合3D成影技術(shù)，可以減少射線的暴露，使手術(shù)更加安全。

　　當(dāng)材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，特別是對(duì)于長(zhǎng)期植入人體的材料，就要求材料的抗腐蝕性能和表面的光滑程度具備一定要求。鎳鈦合金本身的抗腐蝕性能優(yōu)良，但是合金表面粗糙，也會(huì)降低材料的抗腐蝕性能。為了解決這一問題，這款產(chǎn)品在表面覆蓋了一層極薄的水凝膠皮膚，降低導(dǎo)絲的摩擦系數(shù)，運(yùn)行過(guò)程中減少對(duì)血管的損傷大大減少，為更多傳統(tǒng)手術(shù)中無(wú)法實(shí)行的復(fù)雜病變部位的操作提供了可能。

　　這一款叫做Robo-thread的“機(jī)器人”的創(chuàng)新融合了所制材料和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在治療腦動(dòng)脈瘤的領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)，關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的研究會(huì)越來(lái)越多，它的功效也會(huì)愈加精準(zhǔn)和完善，為更多的患者帶來(lái)更加優(yōu)良的治療和服務(wù)。

　　在試圖理解這個(gè)神奇的黑科技產(chǎn)品的同時(shí)，我們也得到了一些小小的啟示。這項(xiàng)技術(shù)出彩的原因并非它在某一領(lǐng)域有了某些驚人的成果，而是綜合的利用了現(xiàn)有的材料與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的突破。

　　可以說(shuō)，科研似攀山下海，觸及到一定高度和深度，才出得了舉世震驚得成果。但也可以說(shuō)，科研像一個(gè)混合了各種溶液的試管，嘗試兼容、嘗試搭配，亦會(huì)有堪稱絕妙的發(fā)明。而往往，后者的重要性并不亞于前者。