Dans une étude récente publiée dans Communication Natureles chercheurs ont présenté des chaînes robotiques douces magnétiques (MaSoChains) qui utilisent des énergies magnétiques et élastiques pour se plier en de grands assemblages stables compatibles avec les technologies de navigation magnétique et ont des applications potentielles pour améliorer la chirurgie mini-invasive.
Sommaire
Arrière-plan
Par rapport aux chirurgies ouvertes conventionnelles, les chirurgies mini-invasives offrent des avantages tels qu’un temps de récupération réduit, une diminution de la douleur et de l’inconfort et un risque moindre d’infections opportunistes. Alors que la chirurgie mini-invasive implique souvent de travailler dans des environnements contraints in vivo en utilisant de petits outils chirurgicaux qui sont poussés à travers des ouvertures et des canaux étroits le long d’une gaine de cathéter de support, les technologies robotiques ont considérablement amélioré la stabilité et la précision de ces chirurgies.
La technologie robotique qui progresse rapidement a fourni de meilleures qualités d’imagerie, la modélisation tridimensionnelle (3D) du in vivo l’environnement, l’administration précise de médicaments et, dans certains cas, des procédures chirurgicales entièrement automatisées.
Le développement de l’impression 3D, du micromoulage et des matériaux souples fonctionnels tels que les hydrogels qui répondent aux stimuli et aux polymères à mémoire de forme a considérablement fait progresser la technologie des outils chirurgicaux miniaturisés. Cependant, malgré le développement d’outils miniaturisés complexes et fonctionnels, le diamètre de la gaine du cathéter reste le facteur limitant, même lorsque les emplacements cibles chirurgicaux sont plus grands.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont introduit une classe de MaSoChains contenant des segments rigides et souples imprimés en 3D et assemblés avec des aimants néodyme fer bore (NdFeB). Ces configurations MaSoChain peuvent être insérées dans le cathéter étroit. Pourtant, lorsqu’elles sont poussées hors du cathéter, les régions souples se plient et permettent aux régions rigides de se joindre, formant une structure préprogrammée.
Tirer la MaSoChain à travers le cathéter inversera la forme tandis que la pousser le réassemblera dans la forme souhaitée, rendant l’outil manoeuvrable à travers des ouvertures d’insertion étroites.
Les chercheurs ont utilisé ces MaSoChains pour développer un endoscope captif couplé à un aimant de direction, une caméra embarquée et un canal de travail. Ils l’ont utilisé pour effectuer une biopsie sur un modèle d’estomac. L’impression 3D multimatériaux a été utilisée pour fabriquer les segments souples et rigides, puis les segments rigides ont été assemblés à l’aide de deux paires d’aimants NdFeB pour la stabilité. Les directions dipolaires des deux paires ont été assemblées pour être opposées afin de réduire le mouvement dipolaire dans les segments rigides.
L’énergie élastique des segments souples a été calculée en fixant l’un des segments rigides sur un substrat et en appliquant un champ magnétique uniforme mais variable avec rotation à l’aide de trois aimants NdFeB fixés à l’intérieur des segments rigides. Le couple élastique du segment souple a été supposé égal au couple magnétique, qui a été calculé à l’aide de l’orientation des aimants NdFeB, du champ magnétique externe et de la différence d’angle entre les deux.
Des cartes de circuits imprimés flexibles à base de polyimide ont été intégrées aux MaSoChains pour tester davantage les fonctionnalités et les caractéristiques des MaSoChains. Trois segments MaSoChain ont été utilisés pour concevoir l’endoscope à capsule attachée, un segment contenant une caméra avec des diodes électroluminescentes (LED) intégrées, un avec un grand aimant de direction NdFeB et un module de canal contenant une pince à biopsie.
Résultats
Les résultats ont indiqué que la technologie MaSoChain peut être utilisée pour relever l’un des défis fondamentaux de la chirurgie mini-invasive, où le diamètre étroit de la gaine du cathéter limite la fonctionnalité et la géométrie des outils chirurgicaux miniaturisés.
Les MaSoChains sont suffisamment étroites pour passer à travers la petite ouverture de la gaine du cathéter, mais peuvent s’assembler en grandes structures fonctionnelles lorsqu’elles émergent de l’autre extrémité du cathéter. De plus, les systèmes de navigation magnétiques actuels peuvent être utilisés avec cette technologie MaSoChain.
Les capacités d’auto-pliage permettent aux MaSoChains d’être assemblées en différentes géométries, et puisque la technologie est basée sur des énergies élastiques et magnétiques, la longueur de la gaine du cathéter peut contrôler le processus de pliage, qui en soi est reproductible, permettant l’assemblage et le démontage de la structure.
En plus de démontrer la capacité des MaSoChains à former un endoscope attaché, les chercheurs ont également montré que les MaSoChains peuvent être pliées de manière à ce que tous les angles de l’emplacement chirurgical soient accessibles sans que la stabilité dynamique de la structure ne soit compromise.
De plus, l’utilisation de LED pour concevoir une structure de détection de forme, qui indique quand la structure est assemblée dans la forme correcte, a également été démontrée. Les MaSoChains intégrées à l’électronique flexible ont également été pliées pour former une surface chauffante contenant des motifs thermiques préprogrammés.
conclusion
Dans l’ensemble, les résultats ont indiqué que la technologie MaSoChain pourrait être intégrée à d’autres appareils électroniques flexibles et personnalisée pour concevoir une large gamme d’outils chirurgicaux qui ne sont pas limités par le diamètre de la gaine du cathéter et peuvent considérablement améliorer la portée des chirurgies mini-invasives.
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