Los ingenieros del MIT han desarrollado un robot con forma de hilo que puede deslizarse activamente a través de estrechos, caminos sinuosos, como la vasculatura laberintina del cerebro.

En el futuro, este hilo robótico puede combinarse con tecnologías endovasculares existentes, permitir a los médicos guiar de forma remota el robot a través de los vasos cerebrales de un paciente para tratar rápidamente bloqueos y lesiones, como los que ocurren en aneurismas y accidentes cerebrovasculares.

"El accidente cerebrovascular es la quinta causa de muerte y la principal causa de discapacidad en los Estados Unidos. Si el accidente cerebrovascular agudo se puede tratar dentro de los primeros 90 minutos aproximadamente, las tasas de supervivencia de los pacientes podrían aumentar significativamente, "dice Xuanhe Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y ambiental en el MIT. "Si pudiéramos diseñar un dispositivo para revertir el bloqueo de los vasos sanguíneos dentro de esta 'hora dorada, 'potencialmente podríamos evitar un daño cerebral permanente. Esa es nuestra esperanza ".

Zhao y su equipo, incluido el autor principal Yoonho Kim, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, describir su diseño robótico suave en la revista Ciencia Robótica . Los otros coautores del artículo son el estudiante graduado del MIT, German Alberto Parada, y el estudiante visitante Shengduo Liu.

En un aprieto

Para eliminar los coágulos de sangre en el cerebro, los médicos a menudo realizan un procedimiento endovascular, una cirugía mínimamente invasiva en la que un cirujano inserta un alambre delgado a través de la arteria principal del paciente, generalmente en la pierna o la ingle. Guiado por un fluoroscopio que simultáneamente toma imágenes de los vasos sanguíneos usando rayos X, Luego, el cirujano gira manualmente el alambre hacia el vaso cerebral dañado. Luego, se puede enhebrar un catéter a lo largo del cable para administrar medicamentos o dispositivos de recuperación de coágulos en la región afectada.

Kim dice que el procedimiento puede ser físicamente agotador, requiriendo cirujanos, que deben estar específicamente capacitados en la tarea, para soportar la exposición repetida a la radiación de la fluoroscopia.

"Es una habilidad exigente, y simplemente no hay suficientes cirujanos para los pacientes, especialmente en áreas suburbanas o rurales, "Dice Kim.

Las guías médicas utilizadas en tales procedimientos son pasivas, lo que significa que deben manipularse manualmente, y normalmente están hechos de un núcleo de aleaciones metálicas, recubierto de polímero, un material que, según Kim, podría generar fricción y dañar los revestimientos de los recipientes si el cable se atascara temporalmente en un espacio particularmente estrecho.

El equipo se dio cuenta de que los avances en su laboratorio podrían ayudar a mejorar dichos procedimientos endovasculares, tanto en el diseño de la guía como en la reducción de la exposición de los médicos a cualquier radiación asociada.

Enhebrar una aguja

En los ultimos años, el equipo ha adquirido experiencia tanto en hidrogeles (materiales biocompatibles hechos principalmente de agua) como en materiales impresos en 3D activados magnéticamente que pueden diseñarse para gatear, salto, e incluso atrapar una pelota, simplemente siguiendo la dirección de un imán.

En este nuevo artículo, los investigadores combinaron su trabajo en hidrogeles y en actuación magnética, para producir una dirección magnética, hilo robótico recubierto de hidrogel, o alambre guía, que pudieron adelgazar lo suficiente para guiar magnéticamente a través de una réplica de silicona de tamaño natural de los vasos sanguíneos del cerebro.

El núcleo del hilo robótico está hecho de aleación de níquel-titanio, o "nitinol, "un material que es a la vez flexible y elástico. A diferencia de una percha, que conservaría su forma al doblarse, un alambre de nitinol volvería a su forma original, dándole más flexibilidad para enrollar a través de apretado, vasos tortuosos. El equipo cubrió el núcleo del cable con una pasta gomosa, o tinta, que incrustaron en todas partes con partículas magnéticas.

Finalmente, utilizaron un proceso químico que desarrollaron previamente, para recubrir y unir la cubierta magnética con hidrogel, un material que no afecta la capacidad de respuesta de las partículas magnéticas subyacentes y, sin embargo, proporciona al cable una suavidad, sin fricción, superficie biocompatible.

Demostraron la precisión y activación del hilo robótico mediante el uso de un gran imán, como las cuerdas de una marioneta, para conducir el hilo a través de una carrera de obstáculos de pequeños anillos, recuerda a un hilo que se abre paso a través del ojo de una aguja.

Los investigadores también probaron el hilo en una réplica de silicona de tamaño natural de los principales vasos sanguíneos del cerebro. incluyendo coágulos y aneurismas, modelado a partir de las tomografías computarizadas del cerebro de un paciente real. El equipo llenó los vasos de silicona con un líquido que simulaba la viscosidad de la sangre, luego manipuló manualmente un imán grande alrededor del modelo para dirigir el robot a través del devanado de las embarcaciones, caminos estrechos.

Kim dice que el hilo robótico se puede funcionalizar, lo que significa que se pueden agregar características, por ejemplo, para administrar medicamentos reductores de coágulos o romper bloqueos con luz láser. Para demostrar lo último, El equipo reemplazó el núcleo de nitinol del hilo con una fibra óptica y descubrió que podían dirigir magnéticamente el robot y activar el láser una vez que el robot alcanzaba una región objetivo.

Cuando los investigadores realizaron comparaciones entre el hilo robótico recubierto con el no recubierto con hidrogel, descubrieron que el hidrogel le dio al hilo un muy necesario, ventaja resbaladiza, lo que le permite deslizarse a través de espacios más reducidos sin atascarse. En una cirugía endovascular, esta propiedad sería clave para evitar la fricción y las lesiones en los revestimientos de los vasos a medida que el hilo se abre paso.

¿Y cómo puede este nuevo hilo robótico mantener a los cirujanos libres de radiación? Kim dice que un cable guía magnéticamente orientable elimina la necesidad de que los cirujanos empujen físicamente un cable a través de los vasos sanguíneos del paciente. Esto significa que los médicos tampoco tendrían que estar muy cerca de un paciente, y más importante, el fluoroscopio generador de radiación.

En el futuro cercano, él prevé cirugías endovasculares que incorporan tecnologías magnéticas existentes, como pares de imanes grandes, las instrucciones que los médicos pueden manipular desde el exterior del quirófano, lejos de la imagen fluoroscópica del cerebro del paciente, o incluso en una ubicación completamente diferente.

"Las plataformas existentes podrían aplicar un campo magnético y realizar el procedimiento de fluoroscopia al mismo tiempo para el paciente, y el doctor podría estar en la otra habitación, o incluso en una ciudad diferente, controlar el campo magnético con un joystick, ", Dice Kim." Nuestra esperanza es aprovechar las tecnologías existentes para probar nuestro hilo robótico in vivo en el siguiente paso ".