即將改變世界的MEMS裝置

MEMS device

©Melanie Gonick/MIT

醫用膠囊機器人(MCR)是近年來的新熱點。今天,我們來探索幾種MCR。MCR屬於一種MEMS裝置,是嵌入式微電腦電系統,可以在人體內自主運行,並具有診斷、預防、監測和治療疾病的功能。

MCR可深達人類胃腸道(GI)的深處。通常,MCR透過自然孔穴(身體上的開口)進入體內,並借助感測器、執行器和無線通訊與周圍環境進行交互,來執行多種任務,例如內窺鏡檢查和胃腸道手術。

MCR的設計和研發過程很具有挑戰性,因為存在諸多約束和限制因素,例如尺寸(1cm以內,以滿足無創手術要求)、功率(有限的電池消耗)和故障安全控制。

三款即將面世的尖端MCR:

  1. 可吞服的折疊式機器人

吞咽、搖晃、移除!由麻省理工學院、謝菲爾德大學和東京工業大學的研究人員共同研發的這款可吞服智慧型機器人,可以移除人體胃中的電池並縫合傷口。它可以裝在藥丸中吞咽,並利用外部磁場進行導航。

電池被誤食後,如果不及時取出,會對胃黏膜造成嚴重損害。這款折疊機器人有助於避免該問題。

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©Tech Insider

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©Shuhei Miyashita et al./ICRA Proceedings

  1. 藥物釋放膠囊(DDC)

為什麼選用DDC?首先,大劑量藥物難以吸收。其次,有些藥物甚至在被吸收之前就已經在胃中分解了。最近,由范德堡大學和米蘭理工大學的研究人員研發的DDC採用線圈-磁鐵-活塞機制,可以將藥物直接運輸到胃腸道的粘膜。這種直徑16mm、長度25mm的智慧膠囊可以容納體積達201.06 mm3、重量達12g的藥物。儘管有點重,但是它可以在一段時間內控制藥物劑量的釋放。這種智慧釋藥MEMS裝置還新增了即時定位和主動位置控制功能。

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(a) DDC的最終原型(直徑16mm、長度25mm), (b) 藥物正被釋放, (c) 藥物完全被釋放 ©Beccani et al., 2016/Elsevier

  1. 無線膠囊內窺鏡(WCE)

內窺鏡和結腸鏡用於診斷和治療胃腸道病變。這些藥丸大小的MEMS裝置可以拍攝腸壁照片,用於診斷。它們透過在消化道中蠕動的方式進行行動,並可在胃、小腸和結腸中使用。

倫敦帝國學院的研究人員提出了首個功能增強型WCE的概念,可以實現靶向藥物的運輸以達到治療目的。為了進一步增強其功能,研究人員提出了基於甲蟲(鞘翅目)和瓢蟲(瓢蟲科)的仿生保持機制。例如,瓢蟲能夠折疊其作為保護外殼的第二對翅膀後方的翅膀。利用一對折疊翼的概念使內窺鏡能夠抵抗腸蠕動(自然的波浪狀運動),這是一種新穎的方法。

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©Woods & Constandinou/PubMed
積體式保持機制意圖,可將1 ml的藥物運輸到靶位點

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©Woods & Constandinou/PubMed

釋放1ml靶向藥物示意圖,顯示針頭完全伸出,藥物部分釋放