【材制·视角】血管里的“线性机器人”

2021-06-05 11:07 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初原载于爱学习的青春材制

2021-6-4

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　　1990-2017年中国居民疾病谱显示，中风（Stroke）已经成为国人死亡的头号诱因，中风在美国也是致残的头号疾病。动脉阻塞引起的缺血性中风约占总数的 85％，作为威胁人类健康的重要杀手，亟待及时有效的治疗手段。目前主要的治疗手段是血管介入微创手术

血管介入微创手术可通过扩张狭窄动脉、改善局部血供等途径有效预防、治疗缺血性血管病。但是这种操作很难一次成功，导致整个手术过程很长。然而，急性缺血性脑血管病在发病后早一秒重建缺血部位血液循环，患者受损伤的脑组织就更少，康复情况也会更好。那么怎样才能改善这个问题呢？

　远程磁控软体导丝机器人的想法应运而生。

　　相比之下，现有的手动导丝前进中在血管壁上有明显的拖行和摩擦。在分叉处需要手动扭转导丝来选择前进方向。前进过程比磁控软体导丝机器人慢很多，而且不能到达复杂的微小血管分叉。

　　目前人们还有在磁控软体导丝机器人中加入光导纤维的设想。这样当机器人达到患处时，有可能用激光来处理堵塞淤血等。

　　这么厉害的机器人，其功能到底是如何实现的呢？这就要轮到我们今天的主角上场了。

神奇的镍钛合金

　　这项技术得以开展，是由于它所使用的镍钛合金材料的特殊性能。镍钛合金（NiTi）隶属众多形状记忆合金（Shape Memory Alloys,简称SMA）的一种，是一种可以记忆形状并且弹性超高的材料。这种材料早在1930年就被人们所发现和利用，目前具有广泛的前景和市场。

特性

（１）形状记忆效应

　　这种材料的变形完全由温度调控，可谓相当神奇：在某一低温条件下，内部驱动力会使其发生变形。而在加热升温后，却又可以消除其在较低温度下发生的变形，恢复变形前的原始形状。

（2）超弹性

　　超弹性，顾名思义就是不遵循普通的弹性变化规律，我们都学过的胡克定律对于镍钛合金已经不再适用。这就意味着镍钛合金在外力的作用下可以产生远大于常规材料弹性极限的变量，是具有优良力学特性的一种材料。

（3）抗腐蚀性

　　耐腐蚀性能是生物医用材料的一个重要参数。如果医用材料发生腐蚀，则容易破坏植入器械的使用性能，例如器械断裂或者塌陷，更有甚者，会导致血液中的金属离子析出，对身体形成危害。

　　镍钛合金本身具有很好的抗腐蚀性。这是因为镍钛合金的金属表面在与氧气接触后会形成一层二氧化钛氧化膜，增加了镍钛合金表面层的稳定性，起到物理和化学屏障的作用。

目前医学应用

　　由于镍钛合金丝非常柔软，在介入手术中可起引导作用，用于制作各种导管、导丝和缝合针等。镍钛形状记忆合金在医学中的应用已有 40 年的历史，其临床使用的安全性和有效性得到了业内认可，应用范围越来越广泛。随着人口老龄化加速，心脑血管疾病、糖尿病等疾病发病率越来越高，支架应用部位越来越广泛，全球市场不断增长，其中近一半的支架产品是由镍钛合金制成。

线性机器人运作原理解释

　　这款被称为“线性机器人”的产品，其实质是合金制成在血管中精准穿行的导管，接下来我们就来看一下这个“机器人”是怎样运作的。

　　人的大脑有着非常复杂的构造，颅内血管不仅脆薄，而且形状迂回。所以需要进入大脑的导管足够柔韧、可以随意变形，适应各种形态的血管，因此这就用到了具有优异的形状记忆性能和超弹性的镍钛合金材料。因此，用镍钛合金制成的“线”便可以随意自如地穿梭在复杂的脑血管中了。

　　“机器人”最大的特点就是可操控性，得到指示便可以完成相应的任务。在这个研发中，医生可以通过磁力控制导管的方向，让导管稳定、精准地完成任务。

　　为对比磁力控制的有效性，下图实验中将有磁力控制（左侧）和没有磁力控制（右侧）的两次操作进行了对比。在同样的时间内，有磁力控制的导管穿行的更迅速，可以大大缩短手术时间。

　　而具备磁力控制的优势远不止于此。在传统的介入手术中，需要通过一种造影的方式，它会给操作医生和患者带来辐射的危害。而利用磁场远程控制导管的行进方向，再结合3D成影技术，可以减少射线的暴露，使手术更加安全。

　　当材料应用于医学领域时，特别是对于长期植入人体的材料，就要求材料的抗腐蚀性能和表面的光滑程度具备一定要求。镍钛合金本身的抗腐蚀性能优良，但是合金表面粗糙，也会降低材料的抗腐蚀性能。为了解决这一问题，这款产品在表面覆盖了一层极薄的水凝胶皮肤，降低导丝的摩擦系数，运行过程中减少对血管的损伤大大减少，为更多传统手术中无法实行的复杂病变部位的操作提供了可能。