Мягкое и безопасное лечение

Тромбоз — это заболевание, при котором внутри кровеносных сосудов образуются сгустки крови (тромбы). Они мешают крови протекать в теле человека, перекрывая вену. Это влечет за собой закупорку сосудов, создает риск для возникновения инсульта, инфаркта и может привести к летальному исходу.

На сегодня есть два основных метода лечения тромбоза — антикоагулянтная терапия и хирургическое вмешательство. В первом случае больной принимает препараты (антикоагулянты, фибринолитики и тромболитики), которые разжижают кровь и понижают уровень холестерина. Однако лекарства могут вызвать внутреннее кровотечение и считаются наименее безопасным вариантом лечения.

Второй метод — операция: в подколенную ямку пациента врачи вставляют металлический катетер и проталкивают его до места образования тромба, чтобы вытащить его. Но при проталкивании жесткий материал катетера царапает внутренние стенки вен. В результате из-за этих повреждений вновь образуются тромбы, а пациент вынужден снова идти на операцию.

Сотрудники химико-биологического кластера ИТМО предложили новый малоинвазивный метод лечения венозных тромбозов. В его основе ― использование роботов из мягкого магнитного композитного материала размером до полутора сантиметров. Материал состоит из мягкой эластомерной матрицы, внутрь которой встроены ферромагнитные частицы и термочувствительный полимер. Благодаря такому строению робот может передвигаться в вене, меняя свою форму под действием магнитного поля, и захватить тромб без повреждения стенок сосудов в течение четырех минут.

«Наш робот обладает несколькими преимуществами в сравнении с уже существующими методами. Мягкость и биосовместимость материала в будущем позволят проводить операции практически в любом месте тела без повреждения внутренних стенок сосуда. При этом разработанную систему необязательно вводить в подколенной ямке, как это происходит при стандартных операциях. К тому же, во время традиционной процедуры врач должен быть предельно аккуратным, чтобы не повредить стенки сосуда при продвижении катетера по телу пациента. Из-за этого успех операции во многом зависит от человеческого фактора. Наш метод более щадящий для пациента — доктор дистанционно контролирует роботов. Это открывает новые возможности для телемедицины», — рассказала магистрантка второго курса химико-биологического кластера и первый автор статьи Анна Пожиткова.

Как закалялись роботы

На подготовительном этапе исследования ученые создали биосовместимый материал. Для этого они смешали синтезированные ферромагнитные частицы с термочувствительным полимером. Полученный результат они встроили в эластомерную матрицу, тем самым создав многокомпонентный материал — композит.

Следующим шагом стало создание необходимой формы роботов для того, чтобы они смогли передвигаться в жидкости. Вдохновившись примерами из живой природы, ученые разработали три варианта дизайна. В первом случае материал может превращаться из обычной полоски в спираль, как водоросль спирулина. Во втором ―  робот может стать дайвером, а его передвижение в жидкости напоминает махи ластами у пловца. Последняя форма — это гарпун, который имитирует движение акул: два плавника с обеих сторон служат балансом для тела, а хвост — движущей силой. Анализ движения роботов в разных формах показал, что наиболее удачным вариантом оказалась спираль. Она быстрее остальных, лучше воздействует на фибриновую сетку тромба и проникает в него, а также может самопередвигаться за счет обтекаемой формы.

Но наиболее важной задачей для исследователей стал поиск способа, как заставить роботов поменять форму, двигаться в жидкости и взаимодействовать с тромбом. Ведь если поднести композитный материал к магниту, он не изменится, а лишь притянется к нему. Чтобы решить эту проблему, научные сотрудники прибегли к процессу перепрограммирования.

Для этого композитный материал нагрели до температуры плавления термочувствительного полимера (58°C), который находится внутри эластомерной матрицы с ферромагнитными частицами. Из-за того, что полимер стал вязким, частицы смогли свободно передвигаться в матрице. Нагретый композитный материал положили в магнитную установку, в которой магнитное поле оборудования взаимодействовало с полем частиц, в результате чего домены поля робота перестроились в нужную для ученых форму. Другими словами, до перепрограммирования домены смотрели в одну сторону, и весь робот притягивался к магнитному полю одинаково, а теперь из-за разных направлений доменов части системы тоже двигаются по-разному — что-то скручивается в спираль, а что-то становится ровным.

На последнем этапе подготовки композитный материал охладили в магнитной установке. Из-за того, что термочувствительный полимер снова стал холодным и твердым, частицы выстроились и зафиксировались в нужном положении. Чтобы управлять роботами и менять их форму, ученые воздействуют на них с помощью магнитного поля ― так, например, полоска из композитного материала может закрутиться, став спиралью, а потом вернуться в исходную форму.

От экспериментов в лаборатории к живым пациентам

Для эксперимента ученые сымитировали настоящую вену  ― ее роль выполнила стеклянная трубка, для которой исследователи подобрали нужный диаметр, поток жидкости и ее вязкость, сделав ее похожей на кровь. В трубку погрузили робота, чтобы по ней он продвигался к тромбу. Как только он приблизился к образованию, под влиянием магнитного поля система поменяла форму с полоски на спираль, став похожей на штопор. Под механическим воздействием фибриновая сетка тромба растянулась, благодаря чему робот внедрился внутрь и зацепился за сгусток. Далее с помощью магнитного поля система вместе с тромбом самостоятельно вернулась в обратном направлении к началу трубки, откуда его извлекли ученые.

Эксперимент по тромбоэкстракции без использования тромболитика: доведение робота до места закупорки (тромба), пенетрация тромба, его зацепление и выведение тромба из системы, имитирующей венозный сосуд. Видео предоставлено авторами исследования

В будущем такую технологию можно будет использовать в операциях по извлечению тромбов у пациентов. С помощью магнитного робота, которым врач управляет с компьютера, можно четко контролировать положение робота в организме: добраться до тромба, зацепить и извлечь его. Ученые проводили исследования с кровяными тромбами и пришли к выводу, что робот может захватить сгусток, но для этого нужно использовать тромболитики. Так как проект ИТМО посвящен использованию роботов без лекарственных препаратов, исследователи сосредоточились на работе с фибриновыми тромбами — образованиями, которые состоят из нитей фибрина, а не из крови.

«Наш проект — это начальный этап разработки малоинвазивного подхода для лечения тромбоза с помощью мягких магнитных композитных материалов. Существуют разные тромбы, для извлечения которых нужен свой дизайн робота. В этом плане наше изобретение может стать решением в области персонализированной медицины: к каждому тромбу можно подобрать нужный размер и вид робота. Также полученные результаты могут помочь ученым ответить на многие вопросы при дальнейших исследованиях in vivo, то есть на живом организме. Например, как роботы взаимодействуют с кровяными тромбами при использовании тромболитиков и без них или как внедрить датчики или сенсоры внутри магнитной системы, чтобы отслеживать его местоположение», — резюмирует Анна Пожиткова.

Подробнее об исследовании: Anna Pozhitkova, Daniil Kladko, Denis Vinnik, Sergey Taskaev and Vladimir Vinogradov Reprogrammable soft swimmers for minimally invasive thrombus extraction (ACS Applied Materials & Interfaces, 2022).

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-73-10150).