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微型医疗机器人锋芒初现,从实验室走向临床的路还有多远?

亿欧网 09-21

【编者按】,目前市面上较为常见的医疗机器人包括外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和服务机器人,微型机器人作为行业新宠,近年受到创投圈的关注。

本文发于思宇医械观察,作者史超;经亿欧大健康编辑,供行业人士参考。

导语

早在古代,人们便幻想着能够将人缩小到足够小从而进入他人体内,像《西游记》中孙悟空便多次通过这种方式打败诸多妖魔鬼怪。这种想法启发了很多科学家,虽然我们很难把真人缩小到细胞大小,但制作一个微型机器人代替人类进入体内完成任务是个相当诱人的想法。所以一直以来微型机器人、纳米机器人成为科学研究的热点,该领域的相关研究也一直为 Science、Nature 等行业顶刊所青睐。

目前,关于机器人在医疗界中的应用研究,主要集中在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和服务机器人等方面,这些机器人的工作环境大都为体外环境,或者介入式体内环境,环境简单,能够直接进行控制。而微型机器人的工作环境是更为复杂的体内环境,且体表的隔断使其难以直接控制,因此设计与控制难度呈几何倍数增长。目前微型医疗机器人大都尚未进入临床应用阶段,但随着精准医疗的深入推进以及智能制造技术的发展,最近一段时间微型机器人技术不断取得突破,成果不断涌现,发展潜力不可小觑。

一、胶囊内镜机器人:应用最为成熟的微型机器人

我国是全球第一的胃癌发病大国,发病率占全世界的 42% 左右。传统的胃镜和肠镜由于检查过程会造成不适,人们的接受度不高,久而久之胃病就疏于检查了,而且近期内窥镜引起严重感染的消息也引起了巨大轰动。疾病早发现、早治疗很关键,比如胃癌预后与胃癌的发现早晚有明显差异,因此新型舒适便捷的内镜检测方式成为近年的发展方向。

自从 2000 年以色列的 Given Image 将第一个胶囊内镜获得 FDA 批准进入临床后,日本奥林巴斯等公司相继推出胶囊内镜系统。目前胶囊内镜已经可以完成对小肠,食道和结肠的临床检查。但目前胶囊内镜还都是采用被动的运动方式,即胶囊是随消化道的自然蠕动而前进。而对于像胃这样大的消化道器官,这种方法由于观察范围十分有限,会造成相当大的漏检。而且被动式胶囊检查时间长,不能实时交互,图像阅片工作量大,极易漏检。因此在胶囊内镜发明之后,人们就开始寻求主动控制胶囊内镜在人体中的运动,即胶囊内镜机器人。

2013 年首个获得 SFDA 批准应用于临床诊断的胶囊内镜机器人 NaviCam 由安翰公司推出,NaviCam 系统由磁场精确控制系统、智能胶囊内镜、便携记录仪和胶囊定位器四个部分组成,接受检查者需吞服一粒智能 " 胶囊 ",通过磁场控制系统来对胶囊进行移动、旋转等控制并进行图像获取,15 分钟左右即可实现胃部的全面检查。

随后,国内外相关公司也陆续开始研制其胶囊内镜机器人系统。胶囊内镜机器人是目前应用最为成熟的微型机器人,国内相关研究人员的不懈努力使得我国的胶囊内镜机器人技术走在世界前列。

二、微型手术机器人:进一步满足微创、精准医疗需求

医学干预手段越是先进 , 侵入性就会越低。过去做腹部手术 , 需要打开病人的腹腔 , 有些甚至需要从肚脐一直开到隔膜,而现在 , 这样的手术大部分只需要通过腹腔镜技术 , 开几厘米大的小口便可完成。但有了微型医疗机器人 , 连这样的小口都会显得多余。

早在 2015 年 , 美国的科研团队就研发出了一种超微型机器人。这款已经通过了美国食品药品监督管理局批准的机器人非常袖珍 , 甚至没有硬币大。它能够被用在耳朵、支气管、尿道等较小的人体部位 , 缩小了需要打开的切口。

2017 年,美国麻省理工学院的研究人员发明了一款微型折叠机器人 , 其可以在胃里完成简单的手术 , 而且不需要切口或连接外部缆线:这种微型机器人被包裹在用冰做成的口服含片里 , 被人服下后会通过食道进入胃里,冰胶囊融化后 , 机器人会像折纸一样打开。展开后的机器人看起来就像一张有皱褶的纸 , 它们遇热或受磁场作用时会膨胀或收缩 , 进而使机器人移动。外科医生通过外部电磁场影响机器人身上的磁铁 , 进而控制机器人的运动。机器人也能通过屈伸自己的皱褶 , 沿着胃壁爬到指定的位置。

这款机器人的主体由生物相容性材料制成——部分材料来自猪的小肠 , 也是香肠肠衣的材料。这些材料可以使其向体内伤口给药或是像创口贴那样固定在伤口上。当然 , 这款机器人的作用还不止这些,它还可以用自带的磁铁 " 捕捉 " 并移除异物 , 比如误吞的纽扣电池等。

在这一方向应用较为成熟的为以色列 Microbot 的 ViRob 机器人系统。ViRob 是一种可自主运动的微型机器人,可通过遥控控制其在人体血管、消化道系统等狭小腔道中进行移动、旋转等操作,并能长期停留于人体内部。ViRob 能够广泛使用于神经外科、放射治疗、靶向给药等介入式微创治疗,根据不同临床需求携带摄像头、药物等不同附件运动到指定位置,实现更为精确的诊断及辅助治疗功能。

三、血管机器人:人体内的 " 运输工 " 与 " 清道夫 "

当机器人缩小到一定程度时,在微观层面上完成特定工作成为可能,血管机器人的诞生便实现了这种可能性。根据现有的相关研究,血管机器人主要能够实现以下几种功能:

1、运送药物、细胞

在目前的相关研究中血管送药机器人输送药物 / 细胞的方式主要有两种:一是作为容器携带药物或细胞包袋至体内特定部位,然后通过控制变形打开容器;二是把机器人的结构设计成海绵状,先浸吸药物或附着细胞,到达目的地后通过自身变形挤压或降解的方式释放药物,从而达到精准释放的目的。通过这种方法,医生能够精确控制药物的使用位置与剂量,同时也能够能将可分化的干细胞运送到损伤的组织上进行修复,在再生医学的临床医疗应用上具有很大潜力。

例如加州理工大学正在开发一种微型载药机器人,可以将药物输送到体内特定部位,同时从身体外部进行检测和控制,用于治疗消化道肿瘤。在光声 CT 的引导与红光的激活下,微型机器人表面的蜡胶囊溶化,移动到肿瘤表面并有效地释放药物。

2、血管清理

通过进行仿生或特殊结构设计,借助现有的纳米技术与材料,相关领域的研究者们设计出一系列微型机器人能够在病人体内对血管进行操作。如瑞士洛桑联邦理工学院研发的一种模仿细菌的微型机器人既可以用于体内给药 , 还可以进行精准的手术操作:这种微型机器人由生物可相容的水凝胶和磁性纳米颗粒组成,在加热的情况下能够得以展开,并且能够在电磁感应下进行运动实现手术操作 , 例如堵塞动脉清理以及干细胞培养。

美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们研发出一种超声波响应的微型血管机器人,由金纳米线制成,其表面涂上血小板和红细胞混合物的膜,进入血液以后,在捆绑细菌病原体的同时,吸收并中和这些细菌产生的毒素。同时,纳米机器人可以响应超声波,使其在没有化学燃料的情况下运动,有助于在血液中与目标(细菌和毒素)有效融合,加速解毒,并能够清除动脉拥堵。

结语

虽然目前微型机器人的许多方向目前还处于研究开发中,真正成熟的应用产品还凤毛麟角,但是多个科室的临床需求已经开始显现。相信随着科研人员的不懈努力,颠覆性突破的实现与临床应用指日可待。

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