全球最小微电子导管虽小但强，集成多种传感与执行功能
2021-12-29 21:28:56   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

在微创手术中，微型导管正在扮演越来越重要的角色，它能够有助植入物、清除血凝块或靶向给药等干预措施。

探索开发超小柔性机器人的先驱者——开姆尼茨工业大学（Chemnitz University of Technology ）Oliver G.Schmidt教授

通常，微型导管操作的侵入性越小，医疗并发症的风险越低，病患的恢复时间也越短。不过，当前的微型导管仍然存在一些局限性，例如，大多数电子微型导管中的传感器和执行器仍然需要手动组合嵌入。

此外，微型导管在体内的放置和控制也存在限制，因为外科医生需要在体外操作这些处于复杂体内环境的微型器械，或通过机器人辅助进行操作。

由于导管必须适应体内环境，还要特别温和的支持外科操作，这对导管的微型化和柔性结构提出了很大挑战。不仅如此，还需要将传感与执行等附加功能结合到微导管中可谓难上加难，从而阻碍了微型导管的未来应用。

据麦姆斯咨询报道，开姆尼茨工业大学纳米材料、结构和集成中心科学主任、纳米电子学材料系统教授Oliver G. Schmidt及其领导的研究团队开发出了有史以来最小的柔性微电子集成自组装导管（ISAC）。

集成自组装导管（ISAC）设计概念图

如头发丝般纤细的新型生物医学工具

这种可用于微创手术的智能微电子工具，其传感器和执行器等电子元件从一开始就直接组合到了导管壁中。

“得益于我们开发的特殊制造方法，嵌入电子元件不会影响导管的尺寸，因此，这种微型导管可以做得像一根头发丝那样纤细。”来自开姆尼茨工业大学的主要作者Boris Rivkin表示。

Rivkin正在开姆尼茨工业大学攻读博士学位。Rivkin及其同事开发的微型导管直径仅为0.1毫米，并具有高度的弹性、柔韧性和生物相容性。

“利用微芯片技术制造微导管，使我们制造出了这种全新的多功能生物医学工具。”Oliver G. Schmidt教授评价说。

这种智能微型导管可以应用于胰腺手术、动脉瘤或血管畸形的微创治疗等广泛应用。

柔性结合多功能，实现微创手术新应用

在导管（ISAC）尖端集成AMR传感器示意图，传感器平铺和自组装后的状态；展示了磁层堆栈和重新排列的惠斯通电桥电路；磁传感器自组装前后的显微照片。

磁相位编码位置跟踪概念与评估

Oliver G. Schmidt教授及其同事将用于导航和定位的磁传感器整合到了微导管中。与指南针类似，这种磁传感器的位置跟踪依赖于弱磁场，而不是造影剂或其它有害辐射。因此，它可以用于深层组织和头骨等致密组织下方。

集成自组装导管（ISAC）制造流程和特性

研究人员开发的微电子导管还结合了微流体通道，可以将液体栓塞药剂或微流控系统药物直接输送至目标位置。此外，导管尖端还配有一个微型夹持器，使导管能够抓住并移动微小的物体。其潜在应用包括去除血凝块或微小的组织样本。

连续显微照片展示了使用导管微型夹持器从0.4 mm宽的通道中抓取100 μm大小的聚苯乙烯颗粒

这种嵌入微电子的多用途特性基于一种瑞士卷折纸技术（Swiss-Roll Origami Technology）。利用这项技术，研究人员可以在芯片上开发出非常复杂的微电子电路、传感器和执行器，然后将其卷成瑞士卷微管结构。瑞士卷结构的多个绕组大大增加了可用表面积，并将微电子电路、传感器和执行器整体地集成到微型导管的小尺寸管壁中。

Oliver G. Schmidt教授及其同事开创这项技术已有一段时间了。这种超薄可成形聚合物薄膜对于开发微管结构非常有用，其结构可以几何调整以适应各种其他物体，例如作为生物神经接口的袖带植入物。这项技术还可以用于另一个应用场景，用于电子元件中的催化微马达和平台，以开发微电子游泳机器人。

研究人员开发的微电子微导管，打破了医疗电子性能改进和亚毫米解剖中血管介入治疗对尺寸要求之间的矛盾。未来，还可以在微导管中添加更多传感器功能，以拓展更广泛的应用。例如，可行的其它传感器包括生物分子检测、血气分析、温度、血压和pH值等生理参数传感器等。得益于这项新技术，未来可以实现多功能的全新微创手术应用。

延伸阅读：

《医疗柔性电子技术及市场趋势-2020版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》