CN116899078A - 一种可重复编程的磁驱微米导丝及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可重复编程的磁驱微米导丝及其制作方法，涉及医疗器械技术领域。不仅可以通过外部磁场操控经过曲折的血管到达病灶，实现安全有效的微创治疗，而且可以在体内实现原位磁性重复编码，改变磁驱微米导丝的磁场分布，实现磁响应的多模态形变。该导丝包括磁性头部和设置在磁性头部的尾端的柔性主体；磁性头部包括柔性外层和包裹在其内的多个磁性微球；磁性头部的磁化方向和磁性分布可以被褪去并重新磁化；磁性微球能够在磁场中受力并带动微米导丝变形与移动；磁性头部的柔性外层与柔性主体均由PDMS通过微流控液滴合成芯片制作而成；芯片包括同轴设置的内层毛细管、中间毛细管和外层毛细管。本申请同时公开了一种上述导丝的制作方法。
Description
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种可重复编程的磁驱微米导丝及其制作方法。
背景技术
磁性微导丝/导管状微创器件由柔性材料制备，包含磁响应远端部分和一个非磁化的柔性主体。在磁场驱动下，在人体狭窄腔道内可以实现灵活弯转和前行等动作，实现针对病患组织的精准治疗，这使其在微创手术领域有着广泛的应用前景。
心血管是一个封闭的管道系统，由心脏和血管所组成，是人类重要的循环系统。随着生活水平的不断提高，心血管类疾病（比如中风，心脏病等）逐渐成为我国乃至全世界第一大致死疾病。微创手术可用于治疗多种心血管疾病。目前，临床上大多数心脏消融术是微创的，外科医生通过患者的股动脉将一根细管（也称为机械导管）插入心脏，一旦导管与目标病灶稳定接触，目标病灶就可以被消融。然而，机械导丝/导管的局限性在于：在进入密闭解剖环境内难以触及的区域时，可操纵性较低。另外，外科医生的手也无法精确地控制接触力。但是，稳定的接触力是手术成功的关键，接触力过大可能导致心脏穿孔，过小则达不到预期效果。
随着科技进步，主动式导管器件，例如磁控微导丝/导管，逐步能够远程执行心脏消融术。然而，现有的磁控微导丝/导管的变形模态局限于“C”字型，不够灵活，不能应对不同的手术情况。
发明内容
本申请的实施例提供一种可重复编程的磁驱微米导丝及其制作方法，通过在体内实现原位磁性重复编码，改变磁驱微米导丝的磁场分布，实现磁响应的多模态形变，不仅能利用其高操作性穿过曲折的血管到达病灶，而且能通过磁性头部产生可控的稳定接触力，完成安全有效的微创治疗。
为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种可重复编程的磁驱微米导丝，包括磁性头部和设置在所述磁性头部的尾端的柔性主体；所述磁性头部包括柔性外层和包裹在柔性外层内部的多个磁性微球；所述磁性头部的磁化方向和磁性分布可以被褪去并重新磁化；所述磁性微球能够在磁场中受力并带动微米导丝变形与移动；所述磁性头部的柔性外层与所述柔性主体均由聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过微流控液滴合成芯片制作而成；所述微流控液滴合成芯片包括同轴设置的内层毛细管、中间毛细管和外层毛细管。
进一步地，所述磁性微球包括硬磁颗粒和包裹在其外部的高温相变材料；所述磁性微球能够在强磁场中被磁化，且能够受热融化褪去磁性并被重新磁化。
进一步地，所述硬磁颗粒采用NdFeB，所述高温相变材料采用PEG。
进一步地，所述高温相变材料和所述硬磁颗粒的质量比为10：1~1：1。
进一步地，所述磁性微球的大小和间距可以通过所述微流控液滴合成芯片动态调整。
进一步地，所述磁性头部能够在磁场作用下产生“C”字型、“J”字型或“S”字型形变。
进一步地，所述磁性头部和所述柔性主体的外径相同，且两者一体加工成形。
进一步地，所述高温相变材料的融化温度大于37℃。
进一步地，所述内层毛细管的长度小于所述中间毛细管的长度，且所述内层毛细管靠近所述中间毛细管的口部设置。
另一方面，本申请的实施例还提供了一种上述可重复编程的磁驱微米导丝的制作方法，包括以下步骤：S1、打开微流控液滴合成芯片的外层毛细管和中间层毛细管，使水相液体经外层毛细管流入，PDMS油相经中间层毛细管流入，并被水相液体包裹，并通过调整水相液体和PDMS油相的比例，直到得到预设直径和长度的PDMS液柱；S2、打开微流控液滴合成芯片的内层毛细管，间歇通入高温相变材料和硬磁颗粒混合而成的混合水相，并保持通入的液体的温度在37℃以上，混合水相间隔流入PDMS液柱中，通过控制混合水相的流速和间隔时间，在PDMS液柱内形成多个均匀分布的微型水相液滴；所述微型水相液滴的位置靠近所述PDMS液柱的首端；S3、将步骤S2中的产物置于４℃的低温环境中进行冷却，直至其内部的高温相变材料凝固包裹住硬磁颗粒；S4、将步骤S3中的产物置于70℃的环境中进行固化，形成磁驱纳米导丝。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
1、本申请实施例可重复编程的磁驱微米导丝包括磁化头部和柔性主体，其中磁化头部由磁性微球和包裹着它的柔性纤维组成，磁性微球包括硬磁颗粒和高温相变材料，由此，通过外部磁场对磁性头部的导引作用，可以使微米导丝产生不同形状的弯曲，从而应对不同的体内狭窄管道。同时，由于磁性头部的硬磁颗粒由高温相变材料包裹固定，当高温相变材料受热熔化，硬磁颗粒将失去约束，其磁性可以受热褪去并被重新磁化。因此，可以在体内实现原位磁性重复编码，改变磁驱微米导丝的磁场分布，实现磁响应的多模态形变，从而应对例如血管这样曲折多变的管道；另外，本申请通过磁场控制导丝的末端即磁性头部，相比现有技术通过拉索控制导丝的末端，本申请产生的接触力稳定且可控，能够完成安全有效的微创治疗。
2、本申请实施例可重复编程的磁驱微米导丝使用自研的微流控液滴合成芯片，将硬磁材料、PDMS和高温相变材料制成磁驱微米导丝。由此，通过微流控芯片可以调节磁驱微米导丝的磁性强度和磁性分布，从而为不同的应用场景定制磁性特征。
3、本申请实施例通过微流控液滴合成芯片实现自动化一体制作，制作简便，生产效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例可重复编程的磁驱微米导丝的结构示意图；
图2为本申请实施例可重复编程的磁驱微米导丝在磁场中变形的示意图；
图3为本申请实施例可重复编程的磁驱微米导丝中的微流控液滴合成芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1至图3，本申请的实施例提供了一种可重复编程的磁驱微米导丝，包括磁性头部1和位于磁性头部1的尾端的柔性主体2。两者通过微流控液滴合成芯片4一体化制作而成。磁驱微米导丝的直径为300μm，长度为2m。
磁性头部1包括柔性外层和包裹在柔性外层内部的多个磁性微球3。磁性微球3是微米导丝的磁性来源，在磁场中受力并带动微米导丝变形与移动，并且磁性头部1能够在磁场作用下产生“C”字型、“J”字型或“S”字型形变。磁性微球3包括硬磁颗粒和包裹在其外部的高温相变材料。这样，磁性微球3能够在强磁场中被磁化而具有定向磁场，也可以受热融化褪去磁性并被重新磁化。
具体的，硬磁颗粒可以采用钕铁硼（NdFeB），高温相变材料可以采用聚乙二醇（PEG），且PEG和NdFeB的质量比为10：1~1：1。另外，高温相变材料的融化温度略大于37℃，这样，由于人体的正常体温是37℃，当磁性微球3被激光照射后，磁性微球3中的硬磁颗粒相当于光热剂，产生的热量即可融化外部的高温相变材料，从而解除对硬磁颗粒的约束，使磁性微球3的磁性褪去。由此，磁性头部1的磁化方向和磁性分布可以被褪去并重新磁化，即其磁特性可重复编程。需要说明的是，磁性微球3的大小和间距可以通过微流控液滴合成芯片4动态调整。
磁性头部1的柔性外层和柔性主体2的材料和外径均相同，磁性头部1的柔性外层与柔性主体2均由PDMS通过微流控液滴合成芯片4制作而成。且磁性头部1的柔性外层与柔性主体2的外径均可以在制作时，通过微流控液滴合成芯片4调整。
微流控液滴合成芯片4包括同轴设置的内层毛细管5、中间毛细管6和外层毛细管7。其中，中间毛细管6的长度小于外层毛细管7的长度，内层毛细管5的长度小于中间毛细管6的长度，且中间毛细管6靠近外层毛细管7的口部设置，内层毛细管5靠近中间毛细管6的口部设置，由此，不会影响磁性头部1的成型。内层毛细管5、中间毛细管6和外层毛细管7可以通过两个3D打印的或者商用T型连接器组装为同轴。
需要说明的是，本申请实施例磁驱微米导丝的磁化方向重复编程可以通过激光加热系统实现。具体的，由于原位磁性重复编码依赖于制备所用的高温相变材料，人体的正常体温是37℃，而所用高温相变材料的融化温度在37℃略以上。当磁性微球3被激光照射，磁性微球3中的硬磁颗粒相当于光热剂，产生的热量可以融化外部的高温相变材料，从而解除对硬磁颗粒的约束，使磁性微球3的磁性褪去。
本申请实施例磁驱微米导丝的磁特性重复编程原理如下：
最初制作好的磁驱微米导丝中，硬磁颗粒没有被磁化，而且是无序排布的。当磁驱微米导丝工作时，沿磁驱微米导丝的轴向施加一个强度大于1T的强磁场，使硬磁颗粒被沿着轴向磁化，并产生定向排布。此时磁性头部1具有沿轴向的磁场，可以在外界驱动磁场的作用下产生变形，如“C”字型。当需要改变磁驱微米导丝的形变模态时，则通过激光照射磁性微球3。磁性微球3中的硬磁颗粒相当于光热剂，受激光照射后能产生热量。磁性微球3中的硬磁颗粒原本由高温相变材料约束，受热后，高温相变材料融化，高温相变材料包裹的硬磁颗粒失去约束，变为无序状态，磁性微球3整体的磁性褪去。此时，对磁驱微米导丝重新施加一个强度在几十毫特的编程磁场，使硬磁颗粒与编程磁场对齐。待冷却后，高温相变材料重新凝固并束缚硬磁颗粒，磁驱微米导丝的磁场分布就被重新编码了，从而可以对外加磁场做出不同的磁响应变形。
另一方面，本申请的实施例还提供了一种上述可重复编程的磁驱微米导丝的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、准备微流控液滴合成芯片4，并对芯片中的中间层毛细管做疏水处理，对外层毛细管7做亲水处理。
步骤2、打开微流控液滴合成芯片4的外层毛细管7和中间层毛细管，使水相液体经外层毛细管7流入，PDMS油相经中间层毛细管流入，并被水相液体包裹，并通过调整水相液体和PDMS油相的比例，直到得到直径为300μm，长度为2m的PDMS液柱。需要说明的是，经外层毛细管7注入水相液体是为了约束并维持PDMS液柱的形态。
步骤3、打开微流控液滴合成芯片4的内层毛细管5，间歇通入高温相变材料和为磁化的硬磁颗粒混合而成的混合水相，并保持通入的混合水相的温度在37℃以上，混合水相间隔流入PDMS液柱中。再通过微流控液滴合成芯片4控制混合水相的流速和间隔时间，在PDMS液柱内形成多个微型水相液滴，并一直通入混合水相，直至包含水相液滴的长度达到2mm。需要说明的是，通过微流控液滴合成芯片4调整内层毛细管5中混合水相的流速，可以按需动态调整微型水相液滴的大小和分布间距。
步骤4、将步骤3中的产物置于４℃的低温环境中进行冷却，直至其内部的高温相变材料凝固包裹住硬磁颗粒。即微型水相液滴变成磁性微球3。
步骤5、将步骤4中的产物置于70℃的环境中进行固化，PDMS固化，形成磁驱纳米导丝。其中前面包含磁性微球3的2mm为磁性头部1，后面的部分为柔性主体2。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，包括磁性头部和设置在所述磁性头部的尾端的柔性主体；所述磁性头部包括柔性外层和包裹在柔性外层内部的多个磁性微球；所述磁性头部的磁化方向和磁性分布可以被褪去并重新磁化；所述磁性微球能够在磁场中受力并带动微米导丝变形与移动；所述磁性头部的柔性外层与所述柔性主体均由PDMS通过微流控液滴合成芯片制作而成；所述微流控液滴合成芯片包括同轴设置的内层毛细管、中间毛细管和外层毛细管。
2.根据权利要求1所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述磁性微球包括硬磁颗粒和包裹在其外部的高温相变材料；所述磁性微球能够在强磁场中被磁化，且能够受热融化褪去磁性并被重新磁化。
3.根据权利要求2所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述硬磁颗粒采用NdFeB，所述高温相变材料采用PEG。
4.根据权利要求3所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述高温相变材料和所述硬磁颗粒的质量比为10：1~1：1。
5.根据权利要求4所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述磁性微球的大小和间距可以通过所述微流控液滴合成芯片动态调整。
6.根据权利要求5所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述磁性头部能够在磁场作用下产生“C”字型、“J”字型或“S”字型形变。
7.根据权利要求6所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述磁性头部和所述柔性主体的外径相同，且两者一体加工成形。
8.根据权利要求7所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述高温相变材料的融化温度大于37℃。
9.根据权利要求8所述的可重复编程的磁驱微米导丝，其特征在于，所述内层毛细管的长度小于所述中间毛细管的长度，且所述内层毛细管靠近所述中间毛细管的口部设置。
10.一种权利要求1~9任一所述的可重复编程的磁驱微米导丝的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开微流控液滴合成芯片的外层毛细管和中间层毛细管，使水相液体经外层毛细管流入，PDMS油相经中间层毛细管流入，并被水相液体包裹，并通过调整水相液体和PDMS油相的比例，直到得到预设直径和长度的PDMS液柱；
S2、打开微流控液滴合成芯片的内层毛细管，间歇通入高温相变材料和硬磁颗粒混合而成的混合水相，并保持通入的液体的温度在37℃以上，混合水相间隔流入PDMS液柱中，通过控制混合水相的流速和间隔时间，在PDMS液柱内形成多个微型水相液滴；所述微型水相液滴的位置靠近所述PDMS液柱的首端；
S3、将步骤S2中的产物置于４℃的低温环境中进行冷却，直至其内部的高温相变材料凝固包裹住硬磁颗粒；
S4、将步骤S3中的产物置于70℃的环境中进行固化，形成磁驱纳米导丝。
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| CN116077802A (zh) * | 2021-12-02 | 2023-05-09 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种磁性驱动器的制作方法、介入导管机器人 |
| CN116271440A (zh) * | 2023-03-13 | 2023-06-23 | 复旦大学附属中山医院 | 一种磁控血管内介入装置及其应用 |
-
2023
- 2023-09-14 CN CN202311182410.8A patent/CN116899078A/zh active Pending
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