CN111616802A - 基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人 - Google Patents

基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人 Download PDF

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Abstract

一种基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人，为内部设有至少一个腔道的高分子聚合物柔性微管，该高分子聚合物柔性微管为高分子聚合物、带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物和/或带有磁性纳米粒子的高分子聚合物，通过充磁磁场实现带有磁性纳米粒子的高分子聚合物发生形变实现移动的同时，由带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物增强射线成像下的可见性。本发明能够具有复杂的内腔道结构，可进行定向注射、激光定位、以及较硬血栓的破碎等操作，在目前的显像技术下具有较好的可视性与可追踪性，同时具有较好的灵活性、机动性和生物相容性。

Description

基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人
技术领域
本发明涉及的是一种微型机器人领域的技术，具体是一种基于高分子聚合物柔性微管的带有内部腔道的超细磁控柔性机器人及其制作方法。
背景技术
柔性机器人在医疗上特别是介入手术中有着重要的应用。然而现有的医用介入手术机器人有着如下缺点：
现有的机械式介入手术机器人直径普遍在2mm以上，无法进入脑血管或冠状动脉末端等部位的细微血管。同时由于机械式机器人采用钢丝等操控方式，必须预留操控空间，导致其难以进一步小型化。
最近报道的(Kim et al.,2019)磁控机器人造价昂贵、制作复杂且功能较为单一。现有的磁控机器人主要采用3D打印以及射出固化的方法。这两种方法必须使用含有FeNdB的磁性PDMS或水凝胶油墨，制作成本较高且制作相对复杂。使用这两种方法制作的磁控机器人外径均大于400um。同时3D打印方法和射出固化方法无法制作带有内部腔道的PDMS机器人，这限制了其功能较为单一，仅可用于较为简单的操作，如机械性疏通血栓，有限药物释放等。
同时现有的磁控机器人难以精确控制方向。由于采用3D打印和射出固化的方法，磁性颗粒均匀的分布在柔性机器人的整个工作长度内，磁化特性单一，限制了不同部位对于磁场做出不同反应的能力。在水凝胶中置入线圈进行充磁的方法虽然一定程度上缓解了该问题然而其在充磁过程中无法避免影响其相邻部位的磁性。由于磁化单一，现有的磁控机器人必须使用大型的三维亥姆霍兹线圈才能实现柔性机器人的精确控制。
KIM Y,PARADA G A,LIU S D,et al.2019.Ferromagnetic soft continuumrobots.Science Robotics[J],4.
发明内容
本发明针对现有技术无法进入较细的血管中，同时现有柔性机器人无法做到定向注射药物以及进行较硬血栓的破碎或其他复杂操作以及定向等技术问题，提出一种基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人，制作较为简便，成本低廉，能够具有复杂的内腔道结构，在磁场下具有良好的操控性，可进行定向注射、干细胞引入、激光定位、病理样本采集以及较硬血栓的破碎等操作，在目前的显像技术下具有较好的可视性与可追踪性，同时具有较好的灵活性、机动性和生物相容性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人，具体为内部设有至少一个腔道的高分子聚合物柔性微管，该高分子聚合物柔性微管为高分子聚合物、带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物和/或带有磁性纳米粒子的高分子聚合物，磁性纳米粒子可自带磁性或由充磁磁场进行充磁，通过充磁磁场实现带有磁性纳米粒子的高分子聚合物发生形变实现移动的同时，由带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物增强射线成像下的可见性。
所述的高分子聚合物为热固性硅橡胶材料，其采用但不限于PDMS；或热固性水凝胶，例如Geltrix或Matrigel。
所述的带有磁性纳米粒子具有超顺磁性或为可充磁的颗粒，对外加磁场做出灵敏的反应。通过调节磁性颗粒的密度从而调节不同部位对于磁场的响应，其材料采用但不限于：Fe2O3、Fe3O4或NdFeB。
所述的成像增强纳米粒子射线阻隔材料或正电子发射材料，优选为硫酸钡颗粒或含18F、11C颗粒。
所述的带有磁性纳米粒子以及成像增强纳米粒子的高聚物部分在柔性机器人轴向上间隔排列，排列长度和方式可依照功能不同改变；在一个机器人内，不同部位的粒子密度可以不同。
所述的高分子聚合物柔性微管的外部优选设有亲水涂层、润滑涂层和/或导电金属涂层，其中：润滑涂层通过有机氟化物、Parylene实现；导电金属通过气相沉积或离子溅射形成的银涂层实现；亲水涂层通过浸泡在人白蛋白中吸附的亲水性蛋白质、喷涂的聚乙烯吡咯烷酮实现。
所述的高分子聚合物微管外径优选为100-5000μm，内径优选为4-1000μm，柔性微管的长度优选为1mm-1m。外径可依据附加结构的需要以及磁场下一般力学控制特性决定，进入脑部、心脏等部位的较细血管或其他狭窄通道。
所述的高分子聚合物微管的内部腔道形状采用但不限于圆形或方形。
所述的高分子聚合物微管内部或外部可以有金属或金属氧化物环装结构或大颗粒(>10um)，其材料可以是非磁性金属，包括但不限于钛或镁，以加大该处的挠度及强度；或磁性金属和金属氧化物材料，包括但不限于Fe，Fe2O3、Fe3O4或NdFeB，以加强该处的磁场响应能力、加大挠度及强度。
所述的高分子聚合物柔性微管的外部优选进一步套接高分子聚合物柔性微管或无磁性的导向软管用于支持其在较大的血管中穿行。
所述的高分子聚合物柔性微管的内部的腔道为空心通道和/或加装合金，其中：空心通道用于引导药物或照影剂注射至特定部位或超微型手术器材；合金采用记忆金属，从而通过腔道实现血栓或斑块的机械破碎或者特定的病例样本采集。
所述的充磁磁场，通过设置于高分子聚合物柔性微管外部的充磁设备实现，该充磁设备包括：毛细管、设置于毛细管外的线圈，通过高分子聚合物柔性微管穿入毛细管中且线圈正对带有磁性纳米粒子的高分子聚合物，对线圈通电产生磁场对内部的柔性机器人带磁部分进行充磁。
所述的毛细管内部涂镀有有机氟化物涂层以减小与柔性机器人间的摩擦力。
所述的线圈采用螺旋线圈或亥姆霍兹线圈。
优选地，对于不同的含磁部分改变电流方向施加不同的磁场，充磁过程可在液体如水或油中进行，进一步减小柔性机器人在毛细管中穿行的阻力。
所述的充磁磁场采用但不限于大型三维亥姆霍兹线圈、类似于螺旋CT的可移动磁体或内窥镜携带的永磁体产生。
技术效果
本发明整体解决了现有柔性机器人外直径过大，无法进入很多狭小的血管区域、无内腔道结构，难以进行一些复杂的操作的问题。
与现有技术相比，本发明制作方法简单，成本低；机器人外直径较小，可以进入目前设备无法进入的血管部位；具有内部腔道结构，可进行更为复杂的操作；采用离散式的磁性颗粒分布，可以对不同部位进行不同磁通量的充磁，以获得更好的磁场控制。
本发明通过超顺磁性或可充磁的纳米颗粒、PDMS柔性微管以及可动式磁场产生装置，实现超小直径血管(小于400μm)或其他狭窄通道的进入，导航控制，以及药物注射、机械血栓破碎或病例样本采集，可用于内窥镜、颅内手术、微循环系统手术以及活检。所述的高分子聚合物微管具有良好的生物相容性，还可作为可随体携带的植入式的药物管道，对于体内特定部位进行长时间的药物定向注入，用于药物溶栓等用途。
附图说明
图1为柔性机器人的示意图；
图中：B为磁场方向；
图2为一种柔性机器人的横剖面的示意图；
图3为柔性机器人的侧剖面的示意图；
图4为柔性机器人在无磁场时(左)以及有磁场时(右)狭窄通道中穿行情况；
图5为柔性机器人使用光纤内环以及记忆合金内核同时加装超微型手术器械的截面示意图；
图6为实施例1充磁装置及控制示意图；
图7为实施例2充磁装置及控制示意图；
图中：10柔性机器人中带有纳米磁性颗粒部分、11柔性机器人中带有成像增强纳米颗粒部分、20高分子聚合物管壁、21副腔道、22主腔道、23功能性涂层、30金属丝组、31高聚物容器、32带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物、33带有磁性纳米粒子的高分子聚合物、50用于注射药物的空腔、51高分子聚合物管壁、52记忆合金内核、53用于安装超微型手术器械的腔道、54光纤、55功能性涂层、60高分子聚合物微管空腔、61玻璃毛细管、62线圈、63柔性机器人中带磁性颗粒部分、64柔性机器人中带有成像增强纳米粒子的部分、70高分子聚合物微管空腔、71玻璃毛细管、72亥姆霍兹线圈、73含磁性颗粒部分、74带有成像增强纳米粒子的部分、75导线。
具体实施方式
实施例1
本实施例涉及一种基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人本体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)如图3所示，将金属丝组30穿过容器31并妥善密封，在容器中逐层加入含纳米磁性颗粒33的PDMS、含成像增强纳米颗粒32的PDMS以及不含上述物质的PDMS。
所述的金属丝组30采用多根铜丝、钨丝或者钼丝排列得到。
所述的逐层加入具体是指：加入一层含纳米磁性颗粒33的PDMS至所需厚度，再加入一层含成像增强纳米颗粒32的PDMS至所需厚度，重复数次，最后加入不含上述物质的PDMS至所需高度。
本实施例中的含纳米磁性颗粒33采用Fe3O4，其用量为：10％PDMS质量。
本实施例中的成像增强纳米颗粒32采用硫酸钡，其用量为：10％PDMS质量。
步骤2)向金属丝组上施加交流或直流电或采用感应生电流方式进行加热，金属丝的加热会导致周围PDMS或其他热固性高分子聚合物固化，形成包裹在金属丝周围的薄层。
步骤3)将金属丝缓慢地从容器31中提拉出来以产生均匀光滑的外壁，并继续加热使PDMS完全固化，得到高分子有机聚合物包裹金属丝形成的前驱体。
所述的继续加热，优选采用外设管状加热器实现。
步骤4)将覆盖有PDMS的金属丝置于丙酮浴中超声处理后，完全抽出金属丝即可得到基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人主体。
所述的超声处理，优选采用超声波水浴20分钟。
所述的完全抽出是指：对于较短长度，直接夹住金属丝从微管一端抽出；对于较长长度，将金属丝从中部通过对此弯折折断，再分别从两端抽出。
在使用100μm钨丝作为内核，在钨丝两端接入直流电源加热电流为0.97A加热时间为1.5分钟时，磁控柔性机器人的外径为200μm，将钨丝抽出后内部形成100μm空腔。
优选将高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人主体进一步浸入5％胎牛血清蛋白溶液中，通过其外管壁自动吸附蛋白质分子从而形成亲水性涂层。
实施例2
本实施例涉及一种带有记忆合金内核的超细磁控柔性机器人本体的制备方法，与实施例1相比，本实施例使用记忆合金丝(Ti-Ni合金)代替普通金属丝制作前驱体，无需后续金属丝抽出步骤即为带有记忆合金内核的超细磁控柔性机器人。
实施例3
如图5所示，本实施例涉及一种带有多个通道及光纤的超细磁控柔性机器人本体的的制备方法，与实施例1相比，本实施例使用记忆合金丝(Ti-Ni合金)作为中心内核、光纤与钨丝分布于四周的组合方式代替普通金属丝制作前驱体。
本实施例在对于金属丝组进行加热时形成的前驱体自然将光纤包裹在固化的聚合物51中，经丙酮浴后，抽出金属丝组中的钨丝以形成用于药物注射50或放置超微型手术设备53的空腔道的同时保留记忆合金内核以及光纤于聚合物51中。
进一步在本体表面通过喷涂设置一薄层聚乙烯吡咯烷酮55，干燥，即得到带有记忆合金内核52以及光纤54的超细磁控柔性机器人。
实施例4
如图6所示，本实施例涉及一种用于上述本体的充磁设备，包括：外径1mm内径0.75mm玻璃毛细管61，该毛细管内部涂镀有有机氟化物涂层以减小与柔性机器人间的摩擦力，毛细管外设有直径100μm漆包线缠绕线圈62。
所述的充磁设备在充磁时，将柔性机器人穿入毛细管中，使柔性机器人含磁性颗粒部分63处于线圈内部，对线圈通电产生磁场对内部的柔性机器人带磁部分进行充磁。对一个含磁部分充磁后可移动柔性机器人对下一个含磁部位进行充磁。
对于不同的含磁部分改变电流方向施加不同的磁场。该充磁过程可在液体如水或油中进行，进一步减小柔性机器人在毛细管中穿行的阻力。
实施例5
如图7所示，本实施例涉及一种用于上述本体的充磁设备，包括：外径1mm内径0.75mm玻璃毛细管71，该毛细管内部涂镀有有机氟化物涂层以减小与柔性机器人间的摩擦力，毛细管外设有刻蚀得到的薄铜片包裹在毛细管外形成亥姆霍兹线圈72。
本实施例中线圈尺寸较小，内部磁场较为均匀，对小尺寸的含磁部位进行充磁的同时对其余含磁部位影响较小。
所述的充磁设备在充磁时，将柔性机器人穿入毛细管中，使柔性机器人含磁性颗粒部分73处于线圈内部，对线圈通电产生磁场对内部的柔性机器人带磁部分进行充磁。对一个含磁部分充磁后可移动柔性机器人对下一个含磁部位进行充磁。
对于不同的含磁部分改变电流方向施加不同的磁场。该充磁过程可在液体如水或油中进行，进一步减小柔性机器人在毛细管中穿行的阻力。
实施例6
如图4所示，以三分叉微流控芯片浸泡于水中模拟人体血液或淋巴系统中的血管或者淋巴管分叉，使用镊子将上述实施例中制备得到的柔性机器人推入微流控芯片的狭小通道中，在无外界磁场时，柔性机器人由于自身的弹性及挠度保持直线状态(图4左)，当在一侧使用磁场对其进行引导的时候，柔性机器人对于外界磁场做出反应，偏向磁场出现的方向，从而进入一侧的分叉中。(图4右)
与现有技术相比，本发明内部腔道在超细的柔性PDMS长条内，存在与长条轴线相平行的圆形或其他形状连通两端的腔道，腔道内可有金属丝或光纤或其他微型手术器械存在，并可通过空腔进行药物注射等操作。本发明制作方法简单，成本低；机器人外直径较小，可以进入目前设备无法进入的血管部位；具有内部腔道结构，可进行更为复杂的操作；采用离散式的磁性分布，可以对不同部位进行不同磁通量的充磁，以获得更好的磁场控制。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人，其特征在于，为内部设有至少一个腔道的高分子聚合物柔性微管，该高分子聚合物柔性微管为高分子聚合物、带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物和/或带有磁性纳米粒子的高分子聚合物，通过充磁磁场实现带有磁性纳米粒子的高分子聚合物发生形变实现移动的同时，由带有成像增强纳米粒子的高分子聚合物增强射线成像下的可见性。
2.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的高分子聚合物为热固性硅橡胶材料；
所述的带有磁性纳米粒子具有超顺磁性或为可充磁的颗粒，对外加磁场做出灵敏的反应，通过调节磁性颗粒的密度从而调节不同部位对于磁场的响应；
所述的成像增强纳米粒子射线阻隔材料或正电子发射材料。
3.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的带有磁性纳米粒子以及成像增强纳米粒子的高聚物部分在柔性机器人轴向上间隔排列，排列长度和方式在一个机器人内，不同部位的粒子密度相同或不同。
4.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的高分子聚合物柔性微管的外部设有亲水涂层、润滑涂层和/或导电金属涂层。
5.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的高分子聚合物柔性微管的外部进一步套接高分子聚合物柔性微管或无磁性的导向软管用于支持其在较大的血管中穿行。
6.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的高分子聚合物柔性微管的内部的腔道为空心通道和/或加装合金，其中：空心通道用于引导药物或照影剂注射至特定部位或超微型手术器材；合金采用记忆金属，从而通过腔道实现血栓或斑块的机械破碎或者特定的病例样本采集。
7.根据权利要求1所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，所述的充磁磁场，通过设置于高分子聚合物柔性微管外部的充磁设备实现，该充磁设备包括：毛细管、设置于毛细管外的线圈，通过高分子聚合物柔性微管穿入毛细管中且线圈正对带有磁性纳米粒子的高分子聚合物，对线圈通电产生磁场对内部的柔性机器人带磁部分进行充磁。
8.根据权利要求7所述的超细磁控柔性机器人，其特征是，对于不同的含磁部分改变电流方向施加不同的磁场，充磁过程可在液体如水或油中进行，进一步减小柔性机器人在毛细管中穿行的阻力。
9.一种制备基于高分子聚合物柔性微管的超细磁控柔性机器人的方法，其特征在于，通过向轴向固定有金属丝组或混合丝组的容器中逐层加入逐层加入高分子聚合物、含纳米磁性颗粒的高分子聚合物或含成像增强纳米颗粒高分子聚合物，经初步加热固化后提拉金属丝组以以产生均匀光滑的外壁，再经完全固化得到得到高分子有机聚合物包裹金属丝形成的前驱体。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的混合丝组是指：以记忆合金丝作为中心内核、光纤与钨丝分布于四周的组合方式。
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