一种更简单的移除医疗设备的方法
医疗设备原型的照片。
麻省理工学院

一种更简单的移除医疗设备的方法

金属支架或钉可以根据需要在体内分解,可以省去一些外科手术和内窥镜手术。

麻省理工学院的研究人员利用一种导致金属断裂的现象,设计了一种可以在体内用作支架、钉钉或药库的医疗设备,当它们不再需要时,可以按需安全拆卸。

研究人员表明,用铝制成的生物医学设备可以通过将它们暴露在一种被称为共晶镓-铟(EGaIn)的液态金属中分解。在实践中,这可能是通过将液体涂在固定皮肤的钉上,或者通过给患者注射EGaIn微粒来实现的。

研究人员说,以这种方式触发这些装置的解体可以消除手术或内窥镜手术来移除它们的需要。

“这是一个非常引人注目的现象,可以应用在多种情况下,”卡尔·范·塔塞尔机械工程职业发展助理教授乔瓦尼·特拉弗索说麻省理工学院和布莱根妇女医院的消化科医生。“这潜在地实现了一种不需要内窥镜或外科手术就能移除设备的系统。”

特拉弗索是这项研究的资深作者先进的材料。MIT博士后薇薇安·费格(Vivian Feig)是这篇论文的第一作者。

分解金属
几年来,特拉弗索的实验室一直在研究可以在消化道停留数天或数周的可消化设备,并按特定的时间表释放药物。

这些设备大多是由聚合物制成的,但最近研究人员一直在探索使用金属的可能性,金属更坚固、更耐用。然而,运送金属设备的挑战之一是找到一种方法,在它们不再需要时将其移除。

为了创造可以在体内按需分解的设备,麻省理工学院的团队从一种被称为液态金属脆化的现象中获得了灵感。这一过程已被充分研究为金属结构失效的来源,包括那些由锌和不锈钢制成的结构。

Feig说:“我们知道,液态金属的某些组合实际上可以进入固体金属的晶界,导致它们急剧减弱并失效。”“我们想看看能否以一种有效的方式利用已知的故障机制来制造这些生物医学设备。”

一种能引起脆化的液态金属是镓。在这项研究中,研究人员使用了共晶镓-铟,这是一种镓的合金,科学家已经探索了在生物医学、能源和柔性电子领域的各种应用。

对于设备本身,研究人员选择了铝,因为铝在接触镓时很容易脆化。

镓通过两种方式削弱铝等固体金属。首先,它可以扩散穿过金属的晶界——构成金属的晶体之间的晶界线——导致金属碎片断裂。麻省理工学院的研究小组表明,他们可以通过设计具有不同类型晶粒结构的金属来控制这种现象,允许金属破裂成小块或在给定点断裂。

镓还能阻止铝在其表面形成一层保护性的氧化层,而氧化层会增加铝在水中的暴露程度,并促进其降解。

麻省理工学院的研究小组表明,在他们将镓-铟涂在铝装置上后,这些金属会在几分钟内分解。研究人员还创造了镓-铟的纳米粒子和微粒,并表明这些悬浮在液体中的粒子也可以分解铝结构。

随需应变的瓦解
虽然研究人员最初的努力是为了创造可以在胃肠道内分解的设备,但他们很快意识到,这也可以应用于其他生物医学设备,如钉针和支架。

为了演示GI的应用,研究人员设计了一个星形装置,手臂通过空心铝管连接到中心弹性体上。药物可以在手臂中携带,该装置的形状有助于药物在胃肠道中保留较长一段时间。在一项动物研究中,研究人员表明,这种装置可以在用镓-铟处理后在胃肠道中分解。

研究人员随后创造了铝钉,并证明它们可以用来将组织固定在一起,然后被镓-铟涂层溶解。

费格说:“现在,移除钉钉实际上会导致更多的组织损伤。”“我们证明,用我们的镓配方,我们可以只把它涂在订书钉上,让它们按需分解。”

研究人员还表明,他们设计的铝支架可以植入食道组织,然后被镓-铟分解。

目前,食道支架要么永久留在体内,要么在不再需要时通过内窥镜取出。这种支架通常由镍钛合金(镍钛合金)等金属制成。研究人员现在正在研究是否可以用镍钛合金和其他金属制造出可溶解的装置。

“从材料科学的角度来看,一件令人兴奋的事情是:我们能否利用在临床中更常用的其他金属,并对它们进行修饰,使它们也具有主动触发性?”洛瑞说。

在这项研究中,研究人员对啮齿动物进行了初步的毒性研究,发现镓-铟即使在高剂量下也是无毒的。然而,研究人员说,还需要更多的研究来确保它对患者的安全性。

这项研究由比尔和梅琳达·盖茨基金会、麻省理工学院机械工程系、布里格姆和妇女医院消化科、施密特科学研究员计划和罗兹信托基金资助。

该论文的其他作者包括Eva Remlova、Benjamin Muller、Johannes Kuosmanen、Nikhil Lal、Anna Ginzburg、Kewang Nan、Ashka Patel、Ahmad Mujtaba Jebran、Meghana Bantwal、Niora Fabian、Keiko Ishida、Joshua Jenkins、Jan-Georg Rosenboom、Sanghyun Park、Weema Madani和Alison Hayward。