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制造平台制造复杂的生物相容性微机械
2021年02月26日    阅读量:1556    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

由生物医学工程教授Sam Sia领导的一组研究人员已经开发出一种方法,可以用可以安全植入体内的生物材料制造微型机器。


Sia与水凝胶是生物相容性材料,工程师们已经研究了数十年,Sia发明了一种新技术,该技术将软质材料分层堆叠,以制造具有三维自由移动部件的设备。这项研究于2017年1月4日在线发表在《科学机器人》杂志上,展示了Sia称为“可植入微机电系统”(iMEMS)的快速制造方法中国机械网okmao.com


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通过利用水凝胶的独特机械性能,研究人员开发了一种“锁定机构”,用于精确驱动和移动自由移动的零件,该零件可以提供诸如阀,歧管,转子,泵和药物输送的功能。他们能够在广泛的机械和扩散特性范围内调节生物材料,并在植入后无需持续供电(例如有毒电池)的情况下对其进行控制。


然后,他们在骨癌模型中测试了“有效载荷”传递,发现在10天内以标准全身化疗剂量的1/10触发阿霉素从装置中释放显示出高治疗功效和低毒性。


“总体而言,我们的iMEMS平台能够开发具有多种复杂的移动组件的生物相容性植入式微型设备,这些组件可以按需进行无线控制,并解决了设备供电和生物相容性问题,” Sia说道,他也是数据科学研究所的成员。“


我们对此感到非常兴奋,因为我们已经能够将生物材料的世界与复杂,复杂的医疗设备连接起来。我们的平台具有大量潜在的应用,包括我们在论文中演示的药物输送系统,与为精密医学提供量身定制的药物剂量有关。”


日内瓦驱动装置的电磁驱动。一块磁铁放在下面约1厘米处,并且不与设备接触。旋转的磁体导致较小的驱动齿轮的旋转运动。随着该驱动齿轮的每旋转一圈,较大的从动齿轮将啮合并旋转60o,从而使下一个储液罐暴露于设备顶层的孔中。


当前大多数可植入的微型设备具有静态组件,而不是活动部件,并且由于它们需要电池或其他有毒电子设备,因此其生物相容性有限。Sia的团队花了八年多的时间来研究如何解决这个问题。与Sia合作的这项研究的主要作者Sau Yin Chin说:“水凝胶很难使用,因为它们柔软且与传统的加工技术不兼容。” 


“我们已经调整了机械性能,并仔细匹配了在设备内相互接触的结构的刚度。互锁的齿轮必须坚硬,以便传递力并承受反复的驱动。


相反,形成的结构锁定机构必须柔软灵活,以使齿轮在致动过程中能够滑行,同时它们必须足够坚硬,以在不致动设备时将齿轮固定在适当的位置。我们还研究了水凝胶的扩散特性,以确保负载的药物不易扩散通过水凝胶层。”

 

该团队使用光来聚合凝胶片,并采用了步进机械化来控制z轴并逐层图案化这些片,从而使它们具有三维性。控制z轴可使研究人员在水凝胶的一层内创建复合结构,同时在整个制造过程中管理每一层的厚度。他们能够堆叠精确对齐的多层,因为它们一次可以一次聚合一个层,因此可以在30分钟内建成复杂的结构。


Sia的iMEMS技术解决了构建生物兼容的微型设备,微型机器和微型机器人的几个基本考虑:如何在不使用有毒电池的情况下为小型机器人设备供电,如何制造生物相容性有限的非硅的小型生物兼容可移动部件,以及如何进行无线通讯植入(射频微电子需要功率,相对较大,并且不具有生物相容性)。


研究人员能够触发iMEMS器件在植入后数天至数周内释放额外的有效载荷。他们还能够通过利用磁力引起齿轮运动来实现精确的致动,进而使具有高可调性的水凝胶制成的结构梁弯曲。


植入式轮状水凝胶Geneva驱动器使用电动磁铁独立移动。日内瓦盘驱动器是机械制表业中使用的复杂机制,可实现精确,一致的机芯。


在研究时,与哥伦比亚大学医学中心骨科外科医生弗朗西斯·李(Francis Lee)合作,研究小组对患有骨癌的小鼠测试了药物递送系统。iMEMS系统在癌症附近进行化学疗法,并限制了肿瘤的生长,同时其毒性小于全身化学疗法。


Sia指出:“这些微型组件可用于微机电系统,可用于大型设备,从药物输送到导管再到心脏起搏器,以及软机器人。”


 “人们已经在制作替代组织,现在我们可以制造小型的可植入设备,传感器或可以与无线进行通讯的机器人。我们的iMEMS系统可以使这一领域更进一步,从而可以开发出可以与人类和其他人安全交互的小型微型机器人生命系统。”


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