医生推测她死于肺栓塞：很可能是长途久坐让她的腿部形成了血栓，血栓脱落后堵塞了肺部血管[1]。
新闻图：肺栓塞可能发生在任何年龄段 ｜广东广播电视台
肺栓塞、脑梗、心梗……这些血栓会引发的疾病，正越来越频繁地盯上年轻人。它们来势凶险，而且治疗起来十分棘手：溶栓药物的治疗窗口极为狭窄，依赖于导管的机械取栓也有时间窗，还对血栓部位和医生技术有极高要求。尤其在大脑中，蜿蜒狭窄的血管常让血栓卡在“弯道”，即便是顶尖的医生也有可能束手无策。
如果有一种微小的装置，能沿着血管直抵病灶，将血栓“消化”后带走，或许能彻底改变治疗的局面。
在今年9月发表于《先进材料》[2]（Advanced Materials）的一项研究中，美国斯坦福大学（Stanford University）赵芮可团队展示了一款直径仅数毫米的磁控机器人。它能在磁场的引导下穿行于脑血管模型深处，不仅能取出血栓，还能完成给药、治疗动脉瘤等多种精细操作。
新型微型机器人在脑血管模型（上图）与猪颈动脉（下图）中穿行 ｜ 参考文献[2]
动脉血流速度快，逆流而上曾经是不可能的
目前，让一个机器人在磁场下运动并不难，难的是如何在湍急的血流中自由穿行。要让微型机器人在血管里逆流而上，它的速度必须达到甚至超过血液本身的流速。
而人体血流速度可达数十厘米每秒：颈内动脉常见的流速为20～30厘米/秒，峰值甚至接近60厘米/秒。过去，从未有螺旋微型机器人能达到这样的速度，直到这项研究出现。
在一篇2022年发表于《自然·通讯》[3]（Nature Communications）的论文中，赵芮可团队曾受折纸艺术启发，设计了一种嵌入磁铁、能在磁场中旋转前行的机器人。
受折纸艺术启发设计的无绳磁控机器人 ｜ 参考文献[3]
这一次，团队保留了其中最关键的结构——螺旋状的侧翼、中空的管道和开槽的外壁，并将原本指甲盖大小的装置缩小到了直径与长度仅几毫米，恰好适合在直径3～5毫米的大脑血管中穿行。
机器人进入血管后，外部施加的旋转磁场会驱动它快速旋转。特殊的中空设计使得它在前进时会产生负压，液体从前端吸入，再从后端和侧槽喷出，从而推动机器人前行。
实测结果显示，这种机器人能以每秒23厘米的速度，在动脉血流速度下灵活穿梭。赵芮可指出：“我们能轻松让它达到这一速度，但23厘米/秒并非上限。只要继续提高磁场的旋转速度，它的速度甚至能达到60厘米/秒。”
机器人的特殊结构，使其能在血管中快速前进 ｜ 参考文献[2]
就像搓棉球一样，机器人“炫”小血栓
旋转带来的负压不仅能推动机器人前进，还成了赵芮可团队解决血栓问题的关键。
起初，团队只是想试试用机器人产生的负压将血栓吸走，但实验结果大大超出了他们的预料：血栓不仅会被机器人牢牢吸住，还会在不到一分钟的时间内被大幅压缩，最终体积缩小到只有原来的5%。
原来，这种机器人在旋转时会同时给血栓施加两种力——负压产生的压力和旋转带来的摩擦力。
赵芮可形象地比喻道：“这就像搓棉球。当你一边压一边搓时，松散的棉花就会逐渐变成一个紧实的小团。同样的，血栓也会在这个过程中不断地致密化。红细胞不断从血栓中挤出，最后剩下的绝大部分都是致密的纤维蛋白。”
纤维网络在压缩与剪切力作用下体积缩小 ｜ 参考文献[5]
团队还发现，血栓中红细胞含量越高，最终被机器人压缩的程度就越高，最高可达95%的压缩率；对于完全由纤维蛋白组成的坚硬血栓模型，微型机器人也可压缩超过80%的体积[4]。
质地坚硬的血栓是临床上最难处理的类型，溶栓药物、导管抽吸和支架“捞取”都难以有效应对，但赵芮可团队的机器人有潜力轻松处理。更重要的是，由于机器人是将血栓整体压缩后取出，而不是把血栓打碎成小块，因此理论上降低了传统机械取栓时血栓碎裂、进一步堵塞其他血管的风险。
机器人将血管模型中的血栓体积大幅压缩（20倍速） ｜ 参考文献[2]
摆脱导管，到达之前无法触及的地方
其实，赵芮可团队此前早已尝试过“旋转取栓”。今年6月，团队在《自然》[5]（Nature）上发表了一项研究，尝试了在血栓抽吸导管前端加装一个直径约1毫米、由电机驱动的旋转装置。
这种方法可以有效去除血栓，但依然需要使用导管，因此只能在适合导管操作的条件下、依赖经验丰富的医生来操作。
赵芮可坦言：“掌握这项技术需要多年的训练，整个斯坦福大学能做脑血管介入手术的医生只有4位。虽然这样的手术在国内更常见，但在国内的非一线城市，能够胜任的医生仍然屈指可数。”
导管前端加装旋转装置处理血栓示意图 ｜ 参考文献[5]
而现在，赵芮可团队的新方法完全摆脱了导管。这不仅避免了因为导管深入造成血管破裂、脑出血的风险，也能让机器人进入更弯、更细的血管，处理传统手段无法触及的血栓。
“我们只需在患者腿部或手腕置入一根鞘管，让机器人经鞘管进入血管，再在磁场引导下抵达血栓所在地，将血栓压缩并带回，最后从鞘管中取出。置入鞘管非常简单，大大减小了医生的操作难度，因此更多医生都能用上这项技术”赵芮可解释道。
精准直抵病灶，“甩”出药物
这种机器人的应用场景远不止取血栓。凭借其中空的结构，科学家可以在其中装载药物或其他成分，让它在磁场导航下精准抵达病灶，再通过旋转负压来释放药物，为多种疾病提供新的治疗手段。
而且，通过调节机器人本身的磁性和外加磁场的旋转频率，这种微型机器人还能展现出不同的运动模式，从而实现不同的给药方式：它既能在前行过程中缓慢地释放药物，也能在原地高速抖动，将药物迅速“甩”出。
“例如递送溶栓药物时，我们会更倾向于用缓慢释放的方式。因为纤维蛋白溶解较为缓慢，药物释放太快会达不到效果。”赵芮可解释道。
机器人在血管中释放药物示意图（3倍速） ｜ 参考文献[2]
但对于动脉瘤等疾病，快速释放的效果可能更为理想。动脉瘤是血管壁上的薄弱膨出部位，如果它在血流冲击下破裂，就可能导致脑出血（俗称脑溢血）。
过去，为了减小血流对动脉瘤的冲击，医生需要借助导管将金属线圈等放入动脉瘤。可一旦病灶位于导管难以抵达的深处，医生也无计可施。
而现在，研究团队只需在机器人的中空结构内装载治疗动脉瘤的物质（凝血剂或能在液体中膨胀的聚合材料），再将其精准导航至动脉瘤处并释放，就能在模型中完成堵塞，降低动脉瘤破裂的风险。
机器人治疗动脉瘤示意图 ｜ 参考文献[2]
旋转吸出肾结石，效率高相当于痛苦少
此外，这项技术也有希望应用到血管之外的场景。
在今年9月发表于《先进智能系统》[6]（Advanced Intelligent Systems）的论文中，赵芮可团队已经用同样的原理成功清除了离体猪肾中的肾结石。
赵芮可透露，目前已经有公司在推动“旋转取石”的临床转化，而通过“旋转取栓”来治疗脑梗、肺栓塞和静脉曲张血栓形成的临床转化也在进行中。
4秒捕获45个碎片，机器人快速清除猪肾中的肾结石 ｜ 参考文献[6]
与此同时，赵芮可团队正在与斯坦福大学计算机科学系合作，开发基于血管造影图像的微型机器人自动导航算法。
目前，团队用于控制机器人的磁力机械臂，还只能依靠预设路径或由医生手动操控。但未来，如果算法能将二维造影重建为三维血管图谱，并实时自动调控磁场，引导机器人直抵病灶，那么这项技术将真正解放医生的双手，也让治疗过程更精准安全。
或许在不远的将来，这些微型机器人会成为临床的常用手段，彻底改变我们深入人体器官的方式。
参考文献
作者：黄雨佳
编辑：代天医
封面图来源： 参考文献[2]
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