Механизм фиксации тканей для медицинских устройств, созданный по образцу ленточного червя
Проглатываемые устройства часто используются для изучения и лечения труднодоступных тканей в организме. Проглатываемые в форме таблеток, эти капсулы могут проходить через пищеварительный тракт, делая фотографии или доставляя лекарства.
Хотя в своей простейшей форме эти устройства пассивно транспортируются через кишечник, существует широкий спектр приложений, где вам может понадобиться устройство для прикрепления к тканям или другим гибким материалам. Существует богатая история биологически вдохновленных решений для удовлетворения этой потребности, начиная от липучек, вдохновленных дурнишником, до медицинских клеев, вдохновленных слизняками , но создание механизмов крепления по требованию и обратимых, которые можно встроить в устройства миллиметрового масштаба для биомедицинского зондирования и диагностики, остается сложной задачей.
Новое междисциплинарное исследование под руководством Роберта Вуда, профессора инженерии и прикладных наук имени Гарри Льюиса и Марлин Макграт в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), и Джеймса Уивера из Гарвардского института Висса, черпает вдохновение из неожиданного источника: мира паразитов.
«Паразитические виды имеют довольно сомнительную репутацию среди широкой общественности из-за их зачастую устрашающих форм тела и незнакомых жизненных циклов, которые кажутся прямо из научно-фантастических фильмов», — сказал Уивер.
«Несмотря на этот факт, важно понимать, что эти виды особенно хорошо приспособлены для закрепления в широком диапазоне различных типов тканей хозяина с использованием удивительно разнообразного набора органов прикрепления, специфичных для вида и ткани. Эти особенности делают их идеальными модельными системами для разработки механизмов закрепления синтетических тканей, предназначенных для конкретных областей применения в биомедицине ».
Сравнение между развертываемым массивом крючков ленточного червя, который послужил мотивацией для настоящего исследования (два изображения слева), и полученным инженерным аналогом миллиметрового масштаба (два изображения справа). Кредит: Гарвардский SEAS
«Воспроизведение как морфологии, так и функциональности этих сложных биологических структур является невероятно сложной задачей и требует знаний из самых разных областей, включая робототехнику, микротехнологии, проектирование медицинских устройств и зоологию беспозвоночных», — сказал Вуд.
Исследование опубликовано в PNAS Nexus .
Чтобы имитировать круглый крючкообразный орган прикрепления, обнаруженный у нескольких видов кишечных ленточных червей, в качестве первоначального доказательства концепции, исследователи использовали многоматериальный метод послойного изготовления, вдохновленный индустрией печатных плат. Одной из ключевых конструктивных особенностей механизма является его радиально-симметричная архитектура, которая позволила создать биологически точный диапазон движения из простых плоских компонентов.
«Использование относительно простых механизмов соединения позволяет использовать процессы производства ламинатов, что дает ряд преимуществ по сравнению с традиционными подходами к изготовлению», — сказал Габриэль Макиньяс, приглашенный аспирант Швейцарского федерального технологического института в Лозанне и первый автор статьи.
«Например, устройства можно изготавливать плоскими, а затем быстро и легко складывать их в окончательные трехмерные геометрические формы с помощью в значительной степени автоматизированного процесса, напоминающего раскладную книгу», — сказал Майк Карпельсон, старший инженер-электрик SEAS и эксперт в этом производственном процессе.
Высокоскоростное видео (8000 кадров в секунду), демонстрирующее развертывание крючка в механизме, вдохновленном ленточным червем. Обычно это происходит, когда устройство касается поверхности ткани, но для ясности здесь оно было запущено сверху парой щипцов. Весь процесс развертывания занимает менее 1 миллисекунды. Кредит: Гарвардский SEAS
Кроме того, благодаря быстрому циклу производства и небольшому размеру изготавливаемых устройств этот подход к производству обеспечивает малоотходный метод прототипирования на этапах исследования и разработки устройств.
Окончательная конструкция устройства содержит жесткие структурные компоненты из нержавеющей стали, приклеенные к полимерным петлям. Диаметр всего устройства в развернутом состоянии составляет менее 5 миллиметров, а вес — всего 44 микрограмма. Когда устройство соприкасается с поверхностью ткани, активируется пусковой механизм, который заставляет фиксирующие крючки вращаться и проникать в прилегающие мягкие ткани.
Поскольку каждый крючок следует по изогнутой траектории, он прокалывает кожу только сразу по пути проникновения — как крючки ленточного червя — вызывая минимальное повреждение тканей. Благодаря небольшому размеру устройства и встроенной эластомерной пружине крючки могут быть развернуты менее чем за 1 миллисекунду.
Авторы также добавляют, что благодаря относительной простоте и адаптивности этого метода производства размеры изготовленных устройств можно будет еще больше уменьшить для будущих итераций.
«Мы очень рады возможности применить уроки, полученные в ходе этих исследований, для дальнейшего расширения пространства проектирования с целью включения других планов паразитических тел, а также других биологических тканей и терапевтических приложений», — сказала Рэйчел Золл, докторант SEAS, специализирующаяся на проектировании биомедицинских устройств, и второй автор статьи.
«Одним из самых интригующих аспектов этого исследования является то, что оно предоставляет крайне необходимую экспериментальную испытательную площадку для изучения того, как анатомия прикрепления паразита влияет на патологию человека в точке прикрепления», — сказал Арманд Курис, профессор паразитологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который не принимал участия в исследовании. «Это представляет собой в значительной степени неизученный аспект медицинской паразитологии, и мне не терпится увидеть, куда приведет это исследование».
Помимо биомедицинских приложений, которые были основным предметом рассмотрения в статье, авторы также предполагают использование этой технологии в немедицинских приложениях, начиная от обратимо клеящихся меток для мониторинга дикой природы и заканчивая сенсорными платформами для текстильных материалов.