超柔性，細如髮絲的血管內顯微探針微機器人
微創醫療程式，例如血管內導管插入術，已大大減少了程式時間和相關併發症。但是，由於缺乏適當的指導技術，人體內部的許多區域（如腦血管）仍然無法接近。由於現有工具體積龐大，大腦的大部分仍無法進入，並且在不引起組織損傷的情況下在微小和曲折的腦血管中導航是極具挑戰性的。
因此本研究開發了一種血管內微機器人工具箱，其橫截面面積比當前可用的最小導管小几個數量級。拴系的超柔性血管內顯微探針可以透過利用水動力來以最小的外部干預透過曲折的血管網路運輸。分叉處的動態轉向是透過使用磁驅動使探頭變形來實現的。
EPFL的科學家發明了一種技術，該技術可以導航比人類頭髮細的電子裝置進入血管。下一步將進行體內測試。相關成果發表在《Nature Communications》雜誌上，論文題目：Flow driven robotic navigation of microengineered endovascular probes, 2020.
心血管系統令人驚訝。它利用在我們的靜脈和動脈中迴圈的血液將氧氣和營養物質輸送到人體的每個組織。在EPFL，博士生Lucio Pancaldi和助理教授Selman Sakar已決定利用流體動能（由液體運動產生的機械能）到達人體中，而無需採用侵入性方法。薩卡爾說："由於現有工具笨拙，因此無法訪問大比例的大腦，並且在不引起組織損傷的情況下探索微小而複雜的腦血管系統非常困難。"
小型化血管內裝置
醫生可以透過推動和旋轉導絲，然後滑動稱為導管的空心管來進入患者的動脈。但是，當動脈開始變窄時，尤其是在大腦中，這種先進技術揭示了其侷限性。EPFL的MicroBioRobotic系統（MICROBS）實驗室的科學家與Diego Ghezzi教授團隊的同事一起設計了栓系顯微裝置，可以以前所未有的速度和便捷性將它們引入毛細管。Pancaldi說："我們的技術並不是要取代傳統的導管，而是要增加它們。"
使用磁場引導的超柔性血管內流量感測器。
釣魚啟發的靈感
該裝置包括一個磁頭和一個由生物相容性聚合物製成的超柔體。"想象一下一條魚鉤逐漸釋放到河裡。它將被水流帶走。我們只需抓住裝置的一端，讓血液將其拖到最周圍的組織。我們輕輕旋轉裝置的磁性尖端Pancaldi說。由於沒有直接在容器壁上施加機械力，因此造成損壞的風險非常低。此外，利用血液流動可以將手術時間從數小時減少到幾分鐘。
以流動為導向的血管內µ探針的部署和發展。
一個超柔性μ-探針透過水動力（頂部）的血管內輸送。利用外部磁場控制磁頭的旋轉，將裝置導向目標血管（底部）。μ探針的小尺寸允許使用標準的皮下注射針頭直接釋放到血管中。b使用克服機械不穩定性的適當插管系統有效部署μ探針。在分娩過程中用生理溶液灌注可保持結構處於張力狀態，直到動脈中的血流被接管為止。圖紙未按比例繪製。
µ探針插入裝置的設計和操作
與傳統的血管內導管不同，不能將超柔韌性和超輕量的長絲簡單地推入流中，因為由於µ探針的彎曲，軸向壓縮載荷將不再有效地傳遞。為此，我們開發了一種液壓機械插入系統，該系統可與脈管系統無縫耦合，並在整個操作過程中使µ探針保持張緊狀態。µ探針的近端連線到剛性杆，該杆滑過定製注射器筒後端的密封墊圈，並透過線性定位器控制桿的運動。輕輕拉動杆可確保將µ探針正確裝入槍管。將鹽溶液透過進樣口泵入系統內部，向鬆弛的長絲施加拉伸應力。。杆的軸向運動確定了釋放到目標血管中的µ探針部分。在沒有推力的情況下，流體動力拉力可確保µ探針順利進入套管。將µ-探針引入血管後，生理血流施加的粘性應力將主導著推進力，並且灌注可能會終止。
透過在薄聚合物基板上沉積導電元素而製成的柔性電子裝置為開發智慧µ探針提供了一條通用的途徑。我們製造了寬度為200 µm的厚度為4 µm的聚醯亞胺（PI）色帶，作為通用結構，用於研究在流動影響下的流固相互作用。用100 nm厚的金膜覆蓋碳帶的整個表面，會誇大帶有圖案化電路的功能性µ探針的剛度。因此，我們保證導航結果可以代表本工作中介紹的所有電子µ探針。直徑從40到350 µm的各種尺寸的圓柱形磁頭，由硬磁彈性體複合材料採用成型工藝製成。實驗分別在由光敏聚合物或彈性體制成的仿生血管網路內部進行，分別使用3D列印和犧牲模製。與血液粘度相匹配的牛頓流體被泵入通道。
電子探針的微細加工
使用標準的微製造技術製造器件。透過在4英寸Si晶片上旋塗4微米厚的PI來製備通用µ探針。正型光刻膠（AZ1512，Heidelberg Instruments MLA150曝光的2μm，405 nm和104 mJ cm -2已用作濺射的掩模，其厚度為100 nm厚的金層，其寬度為250 µm，長度為9 cm，並在丙酮中剝離。然後用鐳射切割µ探針邊界，並手動完成從晶圓上的拆卸。流量感測器的製造涉及分別用於粘附和導電的鈦和鉑層的濺射。為了新增兩個稱為溫度感測器和加熱器的蛇形管，在透過氬等離子體進行表面活化之後，在晶片上濺射了另一層25 nm厚的鉑。使用旋塗和去除正性光致抗蝕劑定義跡線和蛇形的形狀。
微加工步驟
流量感測器：1、用氧等離子體清洗法制備4英寸矽片；2、3µm厚的聚醯亞胺層
旋塗並固化；3、沉積並蝕刻第一層275nm厚的鉑層跟蹤加熱器和感測器元件的輪廓；4，濺射第二層25nm厚的鉑層根據加熱器和感測器元件的蛇形形狀進行蝕刻；5、電路透過旋塗和固化一層1µm厚的聚醯亞胺和開口進行封裝連線墊已蝕刻；6、裝有流量感測器的條紋是鐳射切割和手動切割的與晶圓分離。b透過在4英寸Si上固化聚醯亞胺製備了通用µ-探針晶圓和鐳射切割它們的形狀。圖紙不按比例繪製。
用於所有µ探針的磁頭由PDMS和平均直徑為5μm的釹硼鐵（NdFeB）微粒的複合材料製成，以1：1的質量分數混合。結構在定製模具中的烤箱中於65°C固化。圓柱形磁頭的大小從直徑40到350μm，長度從100μm到3 mm不等。使用脈衝磁化器以3500 kA m -1的場強進行磁化。使用環氧樹脂和手動定位器將磁頭連線到Kapton帶的遠端。使用靈敏的雙通道源測量單元進行電氣測量。
血管內手術機器人導航
裝置的釋放和電磁轉向均由計算機控制。此外，由於裝置的尖端不推壓血管壁，因此不需要力反饋。"我們可以設想，外科手術機器人將使用患者的MRI和CT掃描提供的詳細脈管系統圖，以自動將裝置引導至目標位置。機器智慧的增加將改變血管內手術。另外，計算機程式可以使用熒光鏡提供的視覺資訊來定位裝置並實時計算軌跡，以方便手動操作。
示意圖表示突出了流驅動導航的功能。利用流體動力推動可注射注射器的顯微探針，確保自主導航和避障。磁場為無線訪問目標子動脈提供了指導。
使用電子µ探針對流量進行區域性表徵
建立導航策略後，探索了是否可以使用µ-probes動態記錄生理引數，例如電勢，溫度或流量特性。PI基板用於製造主機架，同時沉積鈦和鉑條以分別形成電極和電路。作為概念證明，我們設計了一種使用對流傳熱來測量區域性流體流動特性的µ探頭。在將電流注入加熱器電路後，所產生的熱量將以由流體的速度曲線確定的速率傳遞到感測器電路。製成的電子µ探針由一個0.1 mm×2 mm的加熱元件和一個200μm×500μm的感測器元件組成，彼此之間的距離為50μm。流量感測器以脈衝模式執行，透過測量向加熱器注入電流與檢測感測器峰值電阻之間的飛行時間（TOF）。該方法需要高取樣率，這不會在小型化上造成折衷。
微型工程熱流感測器的開發和導航。顯示了加熱器和感測器元件以及磁頭。
使用µ探針和顯微鏡導管（µ導管）進行體外演示
灌注離體兔耳中的µ探針的導航和操作。
兔耳血管系統的示意圖。
總結：
儘管薄膜技術可以高保真度地製造電子µ探針，但是矽晶片提供的空間目前在限制裝置的總長度。替代的製造技術，如熱拉伸和三維列印能夠生產米長的智慧光纖和電子裝置。導航範例不取決於材料的選擇。透過更改微型裝置的設計來調整其抗彎剛度，以使流動驅動的導航正常工作。透過製造各種硬度，PDMS（楊氏模量：10 MPa）和Kapton（楊氏模量：4 GPa）的裝置證明了這種多功能性。裝置可以由用於製造可商購獲得的導管（例如聚氨酯和聚乙烯）的醫用級聚合物製成。設計範例還可以適用於諸如明膠和N-異丙基丙烯醯胺（NIPAAm）之類的水凝膠，為可生物降解的電子裝置和可程式設計軟微機敞開了新的技術大門。
到達非常外圍的血管或進入目前太小而無法插入導管的血管的能力可能使血管內專家穿透所謂的穿孔動脈，從而使諸如腦幹，視網膜動脈或基底神經節。這種途徑可能會開闢新的治療選擇，以治療大腦內的深部或邊緣性腫瘤，並靶向血栓栓塞性疾病。本文所開發的技術可能為神經系統疾病（例如癲癇發作）的治療和管理開闢新的前景。