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https://www.med.cuhk.edu.hk/press-releases/cuhk-develops-biohybrid-soft-microrobots-with-a-rapid-endoluminal-delivery-strategy-for-gastrointestinal-diseases
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中大成功研发可在体内快速传输的「生物合成软体微型机械人」 突破现有仪器限制 深入狭窄腔道治疗消化道疾病

由香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系张立教授、中大医学院沈祖尧教授赵伟仁教授领导的跨学科研究团队,近日研发了一款配备内镜辅助磁力导航系统的「生物合成软体微型机械人」。这款微型医疗机械人,配合实时成像导航技术,能在人体内快速传输,有望用於治疗迂回曲折管道内的疾病,特别是针对一些常规医疗仪器未可触及的部位,进行微创治疗。

 

Endoscopy-assisted magnetic navigation of biohybrid soft microrobots with rapid endoluminal delivery and imaging,

Science Robotics, Vol. 6, Issue 52, eabd2813, 2021

 

微型医疗机械人於人体内应用的挑战

 

微型医疗机械人要於人体内狭小迂回的管道内准确移动,仍需解决多方面的挑战,包括:要具备不同功能、有足够安全性、可以适应动态生理环境及不同的生理障碍,并要配合实时成像技术以方便控制。

 

辅以内镜磁力驱动系统的「生物合成软体微型机械人」用於腔道内传输及实时成像

 

中大的研究团队研发了一种以干细胞为基础的软体磁性干细胞球微型机械人,简称MSCSMs,主要由大量(约占98%)干细胞及微量磁性粒子(约占2%)组成。该软体微型机械人的柔软度有如人体大脑组织,於磁场驱动下,它们不但有快速反应及准确锁定目标的能力,更可於传输过程中变形,以通过体内复杂兼狭窄的管道。由於微型机械人使用的干细胞源自於宿主,这将大大减低免疫系统的排斥反应。此外,该软体微型机械人能够通过各种临床成像技术作实时的体内追踪,包括内镜和超声波等广泛在腔内手术中采用的技术。

 

另一方面,为了令软体微型机械人能够快速进入体内深处的狭窄空间,团队开发了一个结合了临床成像工具的机械人集成平台 — 双模成像内镜辅助磁驱动系统(EMADIS)。系统中的内镜为MSCSMs提供了一个「快速通道」,既可避免机械人直接接触人体内复杂的流体环境,亦可让它们快速穿过各种器官或组织的生物屏障。透过内镜将MSCSMs送入人体,之后再利用磁场驱动精准地运送它们到目标位置。传输过程由内镜(在可见的区域)和超声波成像(内镜不可到达的区域)作追踪和监察。通过这种方式,EMADIS能快速并精准地将MSCSMs运送到微小和曲折的腔内管道作介入治疗,特别是在一些传统内镜和医疗机械人无法到达、甚至无法观察的部位。

 

Prof Joseph Sung

沈祖尧教授相信微型机械人技术有巨大的临床应用潜力,团队下一步将开展动物研究以证明该技术的安全性,以及透过临床研究验证其功效。

中大荣休讲座教授、新加坡南洋理工大学高级副校长(健康与生命科学)及李光前医学院院长沈祖尧教授表示:「是次研发的技术,能把内镜可覆盖范围延伸至胆管、胰管、支气管中的较小分支,甚至是泌尿系统较小的分支,例如肾盏和前列腺等,这些器官是不论多么纤细灵活的传统内镜,以往都无法触及的。借助磁性导航,生物合成软体微型机械人可以提供前所未见的诊断和治疗机会,相信这项技术有巨大的临床应用潜力,并能安全应用。我们相当期待下一步开展动物研究以证明该技术的安全性,以及透过临床实验验证其功效。」

Prof Philip Chiu

赵伟仁教授利用人体模型示范透过内镜将微型机械人送入狭窄的消化道内,再利用磁场驱动精准地运送它们到目标位置。

中大医学院周毓浩创新医学技术中心主任、中大赛马会微创医疗技术培训中心主任赵伟仁教授指出:「这项研究成功结合了有限制的内镜与无限制的微型机械人,大大扩展了系统的治疗范围;微型机械人亦实现了精准、快速和长距离的传输。另外,生物合成干细胞微型机械人可以携带大量的干细胞作标靶治疗,并且在消化道疾病(例如胆总管结石或肝内胆管结石、炎症性肠病和良性胆管狭窄)的治疗方面具有巨大潜力。」

 

Prof Li Zhang

张立教授表示,微型机械人能把内镜可覆盖范围延伸至传统仪器无法触及的位置,例如胆管和胰管等。

中大机械与自动化工程学系副教授张立教授指出:「在是次联合中大医学院的合作中,我们提出了一种创新策略,并建立了一个微型机械人平台,以应对微纳米医疗机械人领域中的多种关键挑战,例如:如何减低微型机械人的潜在生物安全问题,如何能够令微型机械人高度适应体内生理环境,以及如何於数分钟内精确地和在实时追踪下将大量的微纳米机械人传递到体内深处。我非常感谢医学院的伙伴在合作过程中为我和我的团队提供了很多建议和支援,对於是次出色的研究成果相当重要。」

目前,研究团队正在紧密合作,将是次的成果转化为多种体内应用,证明这个微型机械人平台的医疗价值。随著内镜技术和微型机械人技术不断发展,研究团队预期这两方面的结合将带来一个极具潜力的治疗系统。此系统将具备长距离工作、短时间和高传送效率、多样功能性并具有高临床价值的优点。

 

研究论文全文:
Endoscopy-assisted magnetic navigation of biohybrid soft microrobots with rapid endoluminal delivery and imaging
https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabd2813
 

 

microrobots

中大跨学科研究团队研发的「生物合成软体微型机械人」(红箭咀示),由大量(约占98%)干细胞及微量磁性粒子(约占2%)组成,每个机械人直径仅100至500微米。

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