港中大+港理工：3D打印亞毫米磁控微導管，破解血管內精準介入難題
現有的導管技術在微小且復雜的血管系統中存在進入困難、操作效率低以及對血管組織損傷風險較高等問題，限制了內血管治療的廣泛應用和效果提升。盡管微導管已成為神經血管、心血管等微細血管的靶向介入治療的重要工具，但由于血管結構復雜和血流環境惡劣，傳統微導管難以實現精準操控與多功能治療。因此，開發一種能夠實現精確導航、有效治療且具有良好組織兼容性的微導管系統成為實際臨床需求的迫切方向，為卒中、動脈閉塞等血管疾病的微創治療提供新的技術支持。
近期，香港中文大學機械與自動化工程學系張立教授團隊與香港理工大學楊立冬助理教授聯合香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系腦神經科助理教授葉耀明醫生、香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系利國偉腦神經學教授及腦神經科主任梁慧康教授在《Science Advances》期刊上在線發表題為“A magnetically actuated microcatheter with soft rotatable tip for enhanced endovascular access and treatment efficiency” 的原創性論著。香港中文大學機械與自動化系博士后張沫艽博士為論文第一作者，香港理工大學楊立冬助理教授，香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系腦神經科助理教授葉耀明醫生、香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系利國偉腦神經學教授及腦神經科主任梁慧康教授和香港中文大學機械與自動化系張立教授為論文共同通訊作者。
該研究提出了一種基于3D打印技術制造的亞毫米級磁控軟旋轉微導管，成功實現了在狹窄復雜血管中的高精度導航與多功能一體化治療。通過采用3D打印工藝精確構建低剛度且可旋轉的螺旋柔性導管頭部，實現了柔性材料與微尺度結構的有機結合，不僅提升了導管的可控性和安全性，還顯著增強了藥物與血栓的作用效率及機械血栓破碎能力，為血管介入手術中的微創治療提供了高效且創新的技術方案，推動了軟體醫療機器人在臨床中的應用轉化。
該磁控軟旋轉微導管的制作過程基于結合3D打印與翻模工藝，首先利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術制造出導管頭部的模具，實現復雜螺旋結構的精細成形。隨后采用軟性硅膠材料（PDMS）進行倒模成型，得到低剛度且具有旋轉能力的螺旋形導管外殼，該設計有效避免了傳統硬質結構對血管壁的硬性接觸，提升了血管組織的安全性。導管內部嵌入永久磁鐵和微型球形關節，實現導管頭部的三維旋轉自由度。整個微導管的外徑控制在800微米以內，兼具足夠的推送力和柔性，能夠適應血管的復雜曲折結構（圖1）。
在導航實驗中，利用機器人臂控制的五自由度磁體系統產生定向和旋轉磁場，實現微導管頭部的精準定位和方向控制。實驗設置包括人腦血管硅膠仿真模型，涵蓋多處狹窄且角度尖銳的分支，通過旋轉輔助導航策略減少導管尖端與血管壁的摩擦阻力，有效防止導管體的彎曲和卡阻。結果顯示，旋轉輔助方法使導管在多重急轉彎的血管模型中通行更加順暢，導航效率較傳統靜態磁場引導提升約50%，且插入力顯著降低，驗證了微導管設計在實際應用中高效且安全的導航性能。此外，旋轉運動還能促進流體在導管工作腔的輸送，增強藥物輸送效能(圖2)。
該研究開發的磁控軟旋轉微導管（MSRM）具備多項創新醫療功能，顯著提升血管內介入治療的效率和安全性。首先，微導管通過旋轉輔助主動轉向，實現對狹窄、復雜、曲折血管的高效導航，減少導管尖端與血管壁的摩擦，避免彎曲和卡阻，保障在直徑小于2毫米的遠端血管中的優異通達能力。其次，該導管集成了多種治療功能，包括藥物輸送、機械血栓破碎和血栓碎片回收。導管頭部的旋轉螺旋結構不僅能夠促進藥物與血栓的高效接觸，加快溶栓速度，還能通過機械摩擦作用物理破壞血栓，提高溶栓治療的總體效果。此外，旋轉運動產生的流體動力能夠逆向輸送血栓碎片，配合吸引裝置實現血栓碎片的安全回收，降低血管堵塞和遠端栓塞風險。這種藥物-機械聯合治療策略有效克服了單純藥物溶栓或機械治療的局限。最后，導管柔軟的旋轉頭部設計和溫和的操作模式降低了血管損傷風險，符合臨床對微創、安全性的需求。動物體內及人體血管模型中的實驗證明了MSRM在血栓清除和遠端血管訪問上的高效性和安全性，有望為卒中及其他血管疾病提供更加精準、快速且低創傷的介入治療手段（圖3）。
在新西蘭兔體內實驗中，MSRM微導管成功實現了對復雜血管分支的高效導航，旋轉輔助主動彎曲策略使導航速度提升約50%，顯著降低了導管張力和卡阻風險。結合局部注射溶栓藥物，微導管通過機械旋轉輔助快速分解和清除血栓，血栓在15分鐘內顯著消除，且未觀察到血管損傷或并發癥。實驗結果表明，MSRM具備優異的操作性能和良好的生物相容性，體現了其在微血管導航及血栓治療中的高效性和安全性（圖4）。
MSRM制備方法：通過摩方面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S130，精度：2μm）制備負模，隨后用非磁性夾具固定負模，注入預制的PDMS液體，并在負模內嵌入微型永磁體，固化3小時。脫模后獲得軟性螺旋形導管尖端，球形關節腔及中空關節采用摩方微納3D打印技術制備，最終通過手動組裝，完成可旋轉的軟性微導管尖端。
總結：本文提出了一種具備軟質可旋轉末端的磁控微導管，旨在提升血管內介入的可達性和治療效率。該微導管通過旋轉輔助自主轉向，顯著改善了在狹窄彎曲血管中的導航能力。實驗證明其在體外腦血管模型和活體動物中表現出優異的操控性和導航能力，有望推動磁控微型醫療機器人的發展與臨床應用。
這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創新科技署（ITC）、中大天石機器人研究所、中大-中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室、創新香港研發平臺（InnoHK）的醫療機器人創新技術中心（MRC）的支持。該工作得到新加坡南洋理工大學沈祖堯教授、中國科學技術大學王柳教授的大力合作和幫助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv1682
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