Der Roboterfaden soll durch die Blutgefäße des Gehirns gleiten

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MIT-Ingenieure haben einen magnetisch steuerbaren, fadenförmigen Roboter entwickelt, der aktiv durch enge, gewundene Bahnen wie das Labyrinthgefäßsystem des Gehirns gleiten kann.

Zukünftig könnte dieser Roboterfaden mit vorhandenen endovaskulären Technologien gekoppelt werden, sodass Ärzte den Roboter aus der Ferne durch die Gehirngefäße eines Patienten führen können, um Blockaden und Läsionen, wie sie beispielsweise bei Aneurysmen und Schlaganfällen auftreten, schnell zu behandeln.

„Schlaganfall ist die Todesursache Nummer fünf und eine der häufigsten Ursachen für Behinderungen in den Vereinigten Staaten. Wenn ein akuter Schlaganfall innerhalb der ersten 90 Minuten oder so behandelt werden kann, könnten sich die Überlebensraten der Patienten deutlich erhöhen“, sagt Xuanhe Zhao, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT. „Wenn wir ein Gerät entwickeln könnten, das die Verstopfung von Blutgefäßen innerhalb dieser ‚goldenen Stunde‘ rückgängig macht, könnten wir möglicherweise bleibende Hirnschäden vermeiden.“ Das ist unsere Hoffnung.“

Zhao und sein Team, darunter der Hauptautor Yoonho Kim, ein Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau des MIT, beschreiben heute in der Zeitschrift Science Robotics ihr Soft-Roboter-Design. Die anderen Co-Autoren des Papiers sind der MIT-Doktorand German Alberto Parada und der Gaststudent Shengduo Liu.

In einer engen Situation

Um Blutgerinnsel im Gehirn zu beseitigen, führen Ärzte oft einen endovaskulären Eingriff durch, einen minimalinvasiven Eingriff, bei dem ein Chirurg einen dünnen Draht durch die Hauptarterie des Patienten einführt, normalerweise im Bein oder in der Leistengegend. Unter der Führung eines Fluoroskops, das gleichzeitig die Blutgefäße mit Röntgenstrahlen abbildet, dreht der Chirurg dann den Draht manuell nach oben in das beschädigte Gehirngefäß. Anschließend kann ein Katheter entlang des Drahtes eingeführt werden, um Medikamente oder Geräte zur Entfernung von Blutgerinnseln in die betroffene Region zu verabreichen.

Kim sagt, dass der Eingriff körperlich anstrengend sein kann und die Chirurgen, die speziell für diese Aufgabe geschult sein müssen, eine wiederholte Strahlenbelastung durch Durchleuchtung ertragen müssen.

„Es ist eine anspruchsvolle Fähigkeit, und es gibt einfach nicht genügend Chirurgen für die Patienten, insbesondere in Vorstädten oder ländlichen Gebieten“, sagt Kim.

Die bei solchen Eingriffen verwendeten medizinischen Führungsdrähte sind passiv, das heißt, sie müssen manuell manipuliert werden, und bestehen typischerweise aus einem Kern aus Metalllegierungen, der mit Polymer beschichtet ist, einem Material, das laut Kim möglicherweise Reibung erzeugen und die Gefäßauskleidungen beschädigen könnte, wenn der Draht beschädigt würde vorübergehend auf besonders engem Raum stecken bleiben.

Das Team erkannte, dass die Entwicklungen in ihrem Labor dazu beitragen könnten, solche endovaskulären Verfahren zu verbessern, sowohl beim Design des Führungsdrahts als auch bei der Reduzierung der Strahlenbelastung der Ärzte.

Eine Nadel einfädeln

In den letzten Jahren hat das Team Fachwissen sowohl über Hydrogele – biokompatible Materialien, die hauptsächlich aus Wasser bestehen – als auch über 3D-gedruckte, magnetisch betätigte Materialien aufgebaut, die so gestaltet werden können, dass sie ganz einfach kriechen, springen und sogar einen Ball fangen können der Richtung eines Magneten folgen.

In dieser neuen Arbeit kombinierten die Forscher ihre Arbeit mit Hydrogelen und magnetischer Betätigung, um einen magnetisch steuerbaren, mit Hydrogel beschichteten Roboterfaden oder Führungsdraht herzustellen, den sie dünn genug machen konnten, um ihn magnetisch durch eine lebensgroße Silikonnachbildung zu führen der Blutgefäße des Gehirns.

Der Kern des Roboterfadens besteht aus einer Nickel-Titan-Legierung oder „Nitinol“, einem Material, das sowohl biegsam als auch federnd ist. Im Gegensatz zu einem Kleiderbügel, der beim Biegen seine Form behält, kehrt ein Nitinoldraht in seine ursprüngliche Form zurück, was ihm mehr Flexibilität beim Wickeln durch enge, gewundene Gefäße verleiht. Das Team überzog den Kern des Drahtes mit einer gummiartigen Paste oder Tinte, in die es durchgehend magnetische Partikel einbettete.

Schließlich verwendeten sie ein zuvor entwickeltes chemisches Verfahren, um die magnetische Abdeckung mit Hydrogel zu beschichten und zu verbinden – einem Material, das die Reaktionsfähigkeit der darunter liegenden magnetischen Partikel nicht beeinträchtigt und dem Draht dennoch eine glatte, reibungsfreie, biokompatible Oberfläche verleiht.

Sie demonstrierten die Präzision und Aktivierung des Roboterfadens, indem sie einen großen Magneten, ähnlich den Fäden einer Marionette, verwendeten, um den Faden durch einen Hindernisparcours aus kleinen Ringen zu steuern, der an einen Faden erinnert, der sich seinen Weg durch ein Nadelöhr bahnt.

Die Forscher testeten den Faden auch in einer lebensgroßen Silikonnachbildung der wichtigsten Blutgefäße des Gehirns, einschließlich Blutgerinnseln und Aneurysmen, nach dem Vorbild der CT-Scans des Gehirns eines echten Patienten. Das Team füllte die Silikongefäße mit einer Flüssigkeit, die die Viskosität von Blut simulierte, und bewegte dann manuell einen großen Magneten um das Modell herum, um den Roboter durch die gewundenen, schmalen Pfade der Gefäße zu steuern.

Kim sagt, dass der Roboterfaden funktionalisiert werden kann, das heißt, dass Funktionen hinzugefügt werden können – zum Beispiel um gerinnungshemmende Medikamente zu verabreichen oder Blockaden mit Laserlicht aufzulösen. Um Letzteres zu demonstrieren, ersetzte das Team den Nitinolkern des Fadens durch eine optische Faser und stellte fest, dass es den Roboter magnetisch steuern und den Laser aktivieren konnte, sobald der Roboter eine Zielregion erreichte.

Als die Forscher den mit Hydrogel beschichteten und den nicht mit Hydrogel beschichteten Roboterfaden verglichen, stellten sie fest, dass das Hydrogel dem Faden den dringend benötigten, rutschigen Vorteil verlieh, der es ihm ermöglichte, durch engere Räume zu gleiten, ohne hängenzubleiben. Bei einer endovaskulären Operation wäre diese Eigenschaft von entscheidender Bedeutung, um Reibung und Verletzungen der Gefäßauskleidung beim Durchdringen des Fadens zu verhindern.

„Eine der Herausforderungen in der Chirurgie bestand darin, durch komplizierte Blutgefäße im Gehirn navigieren zu können, die einen sehr kleinen Durchmesser haben, wo kommerzielle Katheter nicht hinkommen“, sagt Kyujin Cho, Professor für Maschinenbau an der Seoul National University . „Diese Forschung hat gezeigt, dass das Potenzial besteht, diese Herausforderung zu meistern und chirurgische Eingriffe im Gehirn ohne offene Operation zu ermöglichen.“

Und wie kann dieser neue Roboterfaden Chirurgen strahlenfrei halten? Kim sagt, dass ein magnetisch steuerbarer Führungsdraht es für Chirurgen überflüssig macht, einen Draht physisch durch die Blutgefäße eines Patienten zu schieben. Dies bedeutet, dass Ärzte auch nicht in unmittelbarer Nähe eines Patienten und, was noch wichtiger ist, des strahlungserzeugenden Fluoroskops sein müssten.

In naher Zukunft stellt er sich endovaskuläre Operationen vor, bei denen bestehende Magnettechnologien zum Einsatz kommen, etwa Paare großer Magnete, deren Richtungen Ärzte direkt außerhalb des Operationssaals, weg vom Fluoroskop, das das Gehirn des Patienten abbildet, oder sogar ganz in der Nähe manipulieren können anderer Ort.

„Bestehende Plattformen könnten ein Magnetfeld anlegen und gleichzeitig den Durchleuchtungsvorgang am Patienten durchführen, und der Arzt könnte sich im anderen Raum oder sogar in einer anderen Stadt befinden und das Magnetfeld mit einem Joystick steuern“, sagt Kim. „Unsere Hoffnung ist es, im nächsten Schritt bestehende Technologien zu nutzen, um unseren Roboterfaden in vivo zu testen.“

Diese Forschung wurde teilweise vom Office of Naval Research, dem MIT Institute for Soldier Nanotechnologies und der National Science Foundation (NSF) finanziert.

Smithsonian-Reporter Jason Daley schreibt, dass MIT-Forscher einen neuen magnetisch gesteuerten Roboterfaden entwickelt haben, der sich durch das menschliche Gehirn schlängeln kann. „In Zukunft könnte es durch Blutgefäße im Gehirn wandern und dabei helfen, Blockaden zu beseitigen“, erklärt Daley.

Motherboard-Reporterin Becky Ferreira schreibt, dass MIT-Forscher einen Roboterfaden entwickelt haben, der zur Behandlung neurologischer Blutgerinnsel oder Schlaganfälle eingesetzt werden könnte. Der Roboter könnte mit Medikamenten oder Lasern ausgestattet sein, „die an Problembereiche im Gehirn abgegeben werden könnten.“ Diese Art der minimalinvasiven Technik kann auch bei der Linderung von Schäden durch neurologische Notfälle wie Schlaganfälle nützlich sein.“

TechCrunch-Reporter Darrell Etherington schreibt, dass MI-Forscher einen neuen Roboterfaden entwickelt haben, der dazu dienen könnte, Gehirnoperationen weniger invasiv zu machen. Etherington erklärt, dass die neuen Roboterfäden „möglicherweise die Behandlung von Blutgefäßproblemen im Gehirn wie Verstopfungen und Läsionen, die Aneurysmen und Schlaganfälle verursachen können, einfacher und zugänglicher machen könnten“.

Gizmodo-Reporter Andrew Liszewski schreibt, dass ein neues fadenförmiges Roboterwerk, das von MIT-Forschern entwickelt wurde, genutzt werden könnte, um Blockaden und Blutgerinnsel, die zu Schlaganfällen führen, schnell zu beseitigen. „Der Roboter würde nicht nur den Eingriff nach einem Schlaganfall immer schneller machen, sondern auch die Strahlenbelastung verringern, der Chirurgen oft ausgesetzt sind“, erklärt Liszewski.

MIT-Forscher haben einen neuen magnetisch gesteuerten Roboterwurm entwickelt, der eines Tages dazu beitragen könnte, Gehirnoperationen weniger invasiv zu machen, berichtet Chris Stokel-Walker für New Scientist. Bei Tests an einem Silikonmodell des menschlichen Gehirns „konnte sich der Roboter durch schwer zugängliche Blutgefäße schlängeln.“

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