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

Licenças

Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

Um aparelho de RM tanto gera imagens quanto puxa uma cápsula magnética de 5 mm; uma bolha de ar tampa o orifício do fármaco até que um ultrassom focalizado guiado por RM a remova, com a pressão definindo a taxa de liberação.

Por que importa

O trabalho combina navegação magnética acionada por RM com disparo acústico compatível com RM em um único sistema, de modo que um único aparelho pode gerar imagens, mover o robô e iniciar a liberação. Os autores relatam navegação em intestino suíno cerca de duas ordens de grandeza mais rápida que a de uma cápsula passiva e liberação em vários alvos em uma única operação.

Problema

Aparelhos de RM podem gerar imagens de um robô magnético em miniatura e puxá-lo com suas bobinas de gradiente, mas esses robôs tiveram pouca função além da navegação, porque as condições magnéticas e de RF do aparelho descartam a maioria dos disparadores remotos. A liberação baseada em deformação magnética exige um controle de campo que as bobinas de RM não conseguem fornecer, disparadores de RF interferem na geração de imagens e a luz não alcança tecidos profundos; a liberação por HIFU guiado por RM só havia sido mostrada com direcionamento passivo.

Solução proposta

Uma cápsula de polímero impressa em 3D de 5 mm, com um núcleo magnético de aço de 1,5 mm e um único orifício de 500 µm, aprisiona uma bolha de ar no orifício como tampão. Uma sequência de eco de gradiente modificada em um aparelho de 7 T alterna gradientes de imagem e de atuação para guiar a cápsula, e um transdutor de HIFU compatível com RM sobre uma plataforma piezoelétrica 2D remove a bolha com um pulso acústico, após o qual a pressão acústica define a taxa de liberação.

Principais ideias

Um orifício em uma casca impressa quase hidrofóbica aprisiona uma bolha de ar que veda o fármaco, e um pulso de HIFU pode removê-la sob demanda.
A pressão acústica necessária cai à medida que o diâmetro do orifício aumenta e sobe com a espessura da parede, em uma relação quase linear com o diâmetro do orifício.
A pressão acústica controla a taxa de liberação, de modo que a mesma cápsula pode liberar fármaco em vários alvos durante uma única navegação.
Pressões mais altas liberam mais rápido, mas as forças de radiação acústica empurram a cápsula para fora do foco, de modo que o operador precisa mantê-la no lugar com força magnética.

Principais resultados

A navegação em um intestino delgado suíno ex vivo de 50 cm levou 44,2 ± 10,1 s em 5 execuções, uma média de 1,13 cm/s; o resumo descreve isso como deslocamento de até 1,13 cm/s. Os autores comparam com 0,025 cm/s relatados para cápsulas passivas.
A bolha de ar da cápsula foi removida com pressão acústica de 1,25 MPa.
Tempo de esvaziamento da cápsula: 158 ± 18 s a 1,4 MPa, 38 ± 5 s a 1,9 MPa e 20 ± 2 s a 2,4 MPa.
O fármaco foi liberado nos quatro pontos-alvo de um canal de agarose em forma de U usando posicionamento acionado por RM e pulsos de 1,4 MPa.
Cápsulas sem bolha vazaram todo o corante em 1 dia a 4 °C, enquanto cápsulas com bolha não apresentaram vazamento após 4 dias; a bolha resistiu a um agitador magnético a 500 rpm.
Ângulo de contato da água no material impresso da casca: 81,48 ± 1,71°.

Limitações

Apenas controle 2D do ponto focal do HIFU e uma distância focal fixa e limitada, por causa do espaço do aparelho para pequenos animais.
A liberação do fármaco não pode ser vista nas imagens de RM porque o artefato do núcleo magnético é tão grande quanto o campo de visão da câmera, então a liberação é controlada em malha aberta a partir de taxas de liberação estimadas.
Reduzir o tamanho da cápsula exige um modelo físico da remoção da bolha e da hidrodinâmica da liberação, agulhas de carregamento de fármaco mais finas e uma forma de contrabalançar as forças de radiação acústica.
Os testes usaram fluidos não biológicos à temperatura ambiente in vitro; espera-se que viscosidade, pH, acústica dos tecidos e órgãos em movimento alterem a liberação, e isso não foi estudado.
A demonstração de liberação em múltiplos alvos usou uma cápsula sem bolha de ar e uma câmera adaptada para RM para confirmação visual.

Impacto na área

Finalista do prêmio ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper, com 3 citações. Nenhum código, dado ou arquivo de projeto é disponibilizado com o artigo.

Resumo

Sistemas robóticos guiados por ressonância magnética (RM) oferecem grande potencial para novas ferramentas médicas minimamente invasivas, incluindo robôs em miniatura acionados por RM. Ao reaproveitar o hardware de imagem de um aparelho de RM, o robô magnético em miniatura poderia ser navegado até partes remotas do corpo do paciente sem a necessidade de ferramentas endoscópicas com cabo. No entanto, os robôs magnéticos em miniatura acionados por RM do estado da arte têm funcionalidade limitada além da navegação. Aqui, propomos um robô cápsula magnético em miniatura acionado por RM que se beneficia das forças de fluxo acústico geradas por ultrassom focalizado de alta intensidade (HIFU) guiado por RM para a liberação controlada de fármacos. Nosso projeto consiste em uma casca de cápsula de polímero com um orifício de liberação de fármaco de diâmetro submilimétrico que captura uma bolha de ar que funciona como tampão. Usamos o pulso de HIFU para iniciar a liberação do fármaco removendo a bolha de ar assim que o robô cápsula atinge o local-alvo. Controlando a pressão acústica, também regulamos a taxa de liberação do fármaco para atingir múltiplos locais durante a navegação. Demonstramos que o robô cápsula magnético proposto pôde se deslocar em alta velocidade, até 1,13 cm/s, em intestino delgado suíno ex vivo e liberar fármaco em múltiplos locais-alvo em uma única operação, usando uma combinação de atuação por RM e liberação controlada por HIFU. O sistema microrrobótico de liberação de fármacos guiado por RM proposto terá grande impacto nos procedimentos médicos minimamente invasivos, ao permitir a entrega direcionada de fármacos sob demanda.

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