Программируемые магнитоуправляемые актуаторы для малоинвазивной хирургии

 

Абстракт: С появлением лапароскопии методы вмешательства в организм человека все больше миниатюризируются, активно развиваются способы минимально инвазивной и неинвазивной хирургии. Несмотря на сложность развития таких подходов, требующих привлечения широкого круга специалистов, работающих в различных областях, ковидная эра отчетливо показала, что такие масштабные цели могут и должны достаточно оперативно решаться. 
Идея миниатюрных роботов, которые можно приводить в действие и локализовывать внутри человеческого тела для диагностики и лечения заболеваний приобретает все большую популярность. В этом направлении особую перспективу имеют роботы-актуаторы способные как доставлять лекарственные препараты, так и самостоятельно оказывать воздействие терапевтического характера, используя при этом наименее инвазивный метод управления – магнитное поле, за счет которого объекты достигают заданной точки и обеспечивается необходимый стимул для трансформации сигнала в механическое воздействие с целью решения задач прикладного медицинского характера. Успехи современной физики, химии и материаловедения позволяют осуществлять направленный дизайн таких роботов-актуаторов непосредственно под конкретную задачу, что в свою очередь увеличивает эффективность терапии, и позволяет сформировать единую универсальную платформу для широкого спектра биомедицинских задач.
В данном проекте планируется не только впервые разработать оригинальные методы получения магнитных роботов-актуаторов на основе металлических и металлоксидных биосовместимых материалов конъюгированных с полимерами, но и применить их для решения медицинских задач в тех областях, где ранее такие структуры не использовались в виду своей сложности и комплексности: механически-ассистируемого лизиса фибриновых сгустков, механической тромбоэкстрации и элиминации биопленок с поверхности медицинских имплантатов.
Ядром нашего проекта являются программируемые материалы на основе 1D, 2D и 3D структур с высоким магнитным откликом, состоящие из частиц Ni, FeCo и Fe3O4. Способность к программированию (контролируемому изменению формы актуатора под действием специального подобранного магнитного стимула) позволит заранее осуществлять дизайн гибридного композита под конкретную задачу терапевтической направленности. Теоретический анализ с помощью математического и мультифизического моделирования позволит не только предсказать оптимальные физические параметры композитных материалов и условия для их программирования, но и определить круг потенциальных применений подобных материалов, что позволит открыть новые горизонты малоинвазивной хирургии, имея в арсенале библиотеку мягких программируемых магнитных материалов и модель их поведения в биологических средах и взаимодействия с биологическими структурами.
В ходе выполнения проекта будет предпринята попытка создания малоинвазивного робота-катетера на основе ферромагнитных наночастиц и полимера, способного к программированию под желаемую форму путем изменения организации магнитного материала внутри композита при наложении магнитных полей, что в свою очередь открывает возможность для захвата и экстракции тромбов из кровеносного русла. Вместе с тем, параллельно будет развиваться концепция микро-наноактуаторов, способных доставлять тромболитические агенты непосредственно к зоне окклюзии и механически вращаться в нужном направлении под действием переменного магнитного поля. Такой симбиоз магнитной доставки и механического воздействия актуаторов на фибриновую сеть тромба позволит существенно повысить эффективность одобренных фармацевтических препаратов, расширить терапевтическое окно тромболитиков и снизит вероятность возникновения побочных эффектов у пациентов.
Вместе с тем, в данном проекте также планируется создать программируемый робот для элиминации бактериальных пленок на поверхностях медицинских имплантатов. Ежегодно устанавливаются десятки миллионов медицинских устройств, значительная часть которых поражается колониями бактерий, образующих биопленки, которые агрегируют и адгезируются на поверхности имплантата, становясь очагом инфекции и воспаления. Формирование биопленок является основной причиной замены импланта. В этой связи использование механических методов разрушения биополимерного каркаса бактериальных пленок является альтернативной стратегией элиминации, являясь видонеспецифичным, контролируемым и универсальным подходом. Применение миниатюрных магнитных роботов позволит таргетно очищать поверхность имплантов от бактериальных пленок.
Междисциплинарность проекта подчеркивается характером выполняемых работ, предусматривающих не только синтетическую направленность, но и создание экспериментально апробированной математической модели поведения актуаторов в магнитном поле, исследованию их биосовместимости и цитотоксичности, а также in vitro и in vivo демонстрацией механо-ассистируемого тромболизиса, тромбоэкстракции и очищения имплантатов. Для этой цели создается молодой, междисциплинарный и амбициозный состав участников проекта. Реализация проекта планируется под патронажем Мариинской больницы г. Санкт-Петербурга, с целью дальнейшего трансфера технологий в практическое здравоохранение. По результатам исследования планируется опубликовать не менее 10 статей, преимущественно из списка Q1 (ACS Appl Mater Interf, J Mater Chem B, Chem Comm, Biomaterials, и т.д), а также минимум одну статью в журнале из списка Nature Index.