MRI-powered Magnetic Miniature Capsule Robot with HIFU-controlled On-demand Drug Delivery

Autores: Mehmet Efe Tiryaki, Fatih Doğangün, Cem Balda Dayan, Paul Wrede, Metin Sitti · ICRA 2023

Licencias

• Acceso abierto
• Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

Un escáner de RM obtiene imágenes de una cápsula magnética de 5 mm y además tira de ella; una burbuja de aire tapona su orificio de fármaco hasta que un ultrasonido focalizado guiado por RM la elimina, y la presión fija la velocidad de liberación.

Por qué importa

El trabajo combina la navegación magnética propulsada por RM con un disparo acústico compatible con RM en un solo sistema, de modo que un único escáner puede obtener imágenes, mover el robot e iniciar la liberación. Los autores informan de una navegación en intestino porcino unos dos órdenes de magnitud más rápida que la de una cápsula pasiva y de liberación en varios objetivos en una sola operación.

Problema

Los escáneres de RM pueden obtener imágenes de un robot magnético en miniatura y tirar de él con sus bobinas de gradiente, pero estos robots han tenido poca función más allá de la navegación, porque las condiciones magnéticas y de RF del escáner descartan la mayoría de los disparadores remotos. La liberación basada en deformación magnética necesita un control del campo que las bobinas de RM no pueden ofrecer, los disparadores de RF interfieren con la obtención de imágenes y la luz no llega al tejido profundo; la liberación por HIFU guiado por RM solo se había mostrado con direccionamiento pasivo.

Solución propuesta

Una cápsula de polímero impresa en 3D de 5 mm, con un núcleo magnético de acero de 1,5 mm y un único orificio de 500 µm, atrapa una burbuja de aire en el orificio a modo de tapón. Una secuencia de eco de gradiente modificada en un escáner de 7 T alterna gradientes de imagen y de actuación para guiar la cápsula, y un transductor de HIFU compatible con RM sobre una plataforma piezoeléctrica 2D elimina la burbuja con un pulso acústico, tras lo cual la presión acústica fija la velocidad de liberación.

Ideas clave

• Un orificio en una carcasa impresa casi hidrófoba atrapa una burbuja de aire que sella el fármaco, y un pulso de HIFU puede eliminarla a demanda.
• La presión acústica necesaria disminuye al aumentar el diámetro del orificio y aumenta con el grosor de la pared, en una relación casi lineal con el diámetro del orificio.
• La presión acústica controla la velocidad de liberación, de modo que la misma cápsula puede liberar fármaco en varios objetivos durante un mismo recorrido de navegación.
• Las presiones más altas liberan más rápido, pero las fuerzas de radiación acústica empujan la cápsula fuera del foco, por lo que el operador debe mantenerla en su sitio con fuerza magnética.

Resultados principales

• La navegación en un intestino delgado porcino ex vivo de 50 cm llevó 44,2 ± 10,1 s en 5 recorridos, una media de 1,13 cm/s; el resumen lo describe como un desplazamiento de hasta 1,13 cm/s. Los autores lo comparan con los 0,025 cm/s reportados para cápsulas pasivas.
• La burbuja de aire de la cápsula se eliminó con una presión acústica de 1,25 MPa.
• Tiempo de vaciado de la cápsula: 158 ± 18 s a 1,4 MPa, 38 ± 5 s a 1,9 MPa y 20 ± 2 s a 2,4 MPa.
• Se liberó fármaco en los cuatro puntos objetivo de un canal de agarosa en forma de U usando posicionamiento propulsado por RM y pulsos de 1,4 MPa.
• Las cápsulas sin burbuja perdieron todo su colorante en 1 día a 4 °C, mientras que las cápsulas con burbuja no mostraron fugas tras 4 días; la burbuja resistió un agitador magnético a 500 rpm.
• Ángulo de contacto del agua sobre el material impreso de la carcasa: 81,48 ± 1,71°.

Limitaciones

• Solo control 2D del punto focal del HIFU y una distancia focal fija y limitada, debido al espacio del escáner para animales pequeños.
• La liberación del fármaco no puede verse en las imágenes de RM porque el artefacto del núcleo magnético es tan grande como el campo de visión de la cámara, por lo que la liberación se controla en lazo abierto a partir de velocidades de liberación estimadas.
• Reducir el tamaño de la cápsula requiere un modelo físico de la eliminación de la burbuja y de la hidrodinámica de la liberación, agujas de carga de fármaco más finas y una forma de contrarrestar las fuerzas de radiación acústica.
• Las pruebas usaron fluidos no biológicos a temperatura ambiente in vitro; se espera que la viscosidad, el pH, la acústica de los tejidos y el movimiento de los órganos cambien la liberación, y no se han estudiado.
• La demostración de liberación en múltiples objetivos usó una cápsula sin burbuja de aire y una cámara acondicionada para RM para la confirmación visual.

Impacto en el campo

Finalista del premio ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper, con 3 citas. No se publican código, datos ni archivos de diseño con el artículo.

Resumen

Los sistemas robóticos guiados por resonancia magnética (RM) ofrecen un gran potencial para nuevas herramientas médicas mínimamente invasivas, incluidos los robots en miniatura propulsados por RM. Al reutilizar el hardware de imagen de un escáner de RM, el robot magnético en miniatura podría navegarse hasta partes remotas del cuerpo del paciente sin necesidad de herramientas endoscópicas cableadas. Sin embargo, los robots magnéticos en miniatura propulsados por RM del estado del arte tienen una funcionalidad limitada más allá de la navegación. Aquí proponemos un robot cápsula magnético en miniatura propulsado por RM que aprovecha las fuerzas de flujo acústico generadas por ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU) guiado por RM para la liberación controlada de fármacos. Nuestro diseño consta de una carcasa de cápsula de polímero con un orificio de liberación de fármaco de diámetro submilimétrico que retiene una burbuja de aire que actúa como tapón. Usamos el pulso de HIFU para iniciar la liberación del fármaco eliminando la burbuja de aire una vez que el robot cápsula alcanza la ubicación objetivo. Controlando la presión acústica, también regulamos la velocidad de liberación del fármaco para dirigirlo a múltiples ubicaciones durante la navegación. Demostramos que el robot cápsula magnético propuesto podía desplazarse a alta velocidad, hasta 1,13 cm/s, en intestino delgado porcino ex vivo y liberar fármaco en múltiples sitios objetivo en una sola operación, usando una combinación de actuación propulsada por RM y liberación controlada por HIFU. El sistema microrrobótico de liberación de fármacos guiado por RM propuesto tendrá un gran impacto en los procedimientos médicos mínimamente invasivos al permitir la administración dirigida de fármacos a demanda.

Enlaces

• arXiv 2301.07197: https://arxiv.org/abs/2301.07197
• DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10161197: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10161197
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2301.07197v1