Помогли осы-наездницы: ученые создали хирургический инструмент - видео

07 октября 2020 | 16:06

Инженеры из Нидерландов разработали прототип инструмента, предназначенного для малоинвазивного извлечения биологических тканей из организма. Устройство имитирует работу яйцеклада наездников и представляет собой шесть стальных лезвий, кольцеобразно расположенных внутри полой металлической трубки.

Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Совершая последовательные возвратно-поступательные движения, лезвия инструмента могут перемещать образцы тканей вдоль полости за счет сил трения. Несмотря на меньшую скорость транспортировки по сравнению с распространенным аспирационным методом, основанном на разнице давлений, новый метод позволит извлекать глубоко расположенные ткани без опасности захвата и повреждения окружающих областей. Устройство, основанное на таком методе, позволит в будущем проводить биопсию и малоинвазивные операции по удалению опухолей, тромбов и пораженных тканей из глубоко расположенных областей более эффективно.

Зачастую в медицине возникает необходимость извлечения и транспортировки тканей из организма человека — например, при проведении биопсии, а также для удаления опухолей, инфицированных областей или тромбов. Для выполнения подобных задач в малоинвазивной хирургии сегодня часто используют аспирационный метод, основанный на разнице давлений. Однако этот метод теряет эффективность, при работе с тканями, расположенными глубоко в организме, что связано с трудностями при создании достаточной разницы давлений в тонкой и длинной гибкой трубке. Кроме того, существует опасность загрязнения транспортируемых образцов окружающими тканями или жидкостями при неизбирательном всасывании, или повреждении здоровых тканей во время процесса удаления пораженных участков.

Нидерландские инженеры из Делфтского технического университета под руководством Эме Сакес (Aimée Sakes) разработали прототип устройства для транспорта глубоко расположенных биологических тканей. В его основу был положен принцип, имитирующий работу яйцеклада наездников, — органа, с помощью которого эти насекомые откладывают яйца в насекомое-жертву. Появившиеся затем личинки используют тело хозяина для своей защиты и питания.

Яйцеклад наездника имеет трубчатую форму и состоит из трех продольных створок, которые соединяются с помощью желобов и выступов, что позволяет им независимо скользить относительно друг друга. Благодаря этому яйцеклад может внедряться в субстрат без приложения излишнего внешнего давления, только за счет разности сил трения при попеременном смещении створок. Этот же механизм используется для перемещения яиц по полой трубке яйцеклада.

Используя этот принцип, инженеры создали прототип транспортной системы для биологических тканей, способной внедряться и перемещать их небольшие объемы. Устройство состоит из шести полуцилиндрических лезвий из нержавеющей стали одинакового размера и формы, удерживаемых вместе с помощью латунной трубки диаметром 7 миллиметров и образующих полый транспортный канал. При этом каждое лезвие может скользить независимо относительно соседей. Для их перемещения используется электромотор, который с помощью механизма в виде барабана с криволинейным пазом последовательно воздействует на лезвия через систему ползунков и закрепленных на них тяг-адаптеров.

Для перемещения образца биологической ткани, находящегося в транспортной полости, необходимо последовательно смещать лезвия друг относительно друга. При перемещении одного лезвия и неподвижных оставшихся пяти сила трения между образцом ткани и неподвижными лезвиями в пять раз превышает силу трения между образцом и двигающимся лезвием. Таким образом, используя разницу в силах трения между неподвижными и смещаемыми вперед и назад лезвиями и перемещаемым образцом ткани можно заставить образец двигаться в нужном направлении. Воздействием гравитации на образцы при этом авторы разработки пренебрегли из-за их небольшого веса.

Для исследования возможностей системы инженеры провели ряд тестов, в которых производилась оценка эффективности по трем параметрам: коэффициенту транспортировки, показывающему какую массу вещества способен переместить механизм в единицу времени, эффективности транспортировки, характеризующей реальную скорость перемещения образца ткани в полости с учетом его возможного проскальзывания по отношению к идеальному расчетному случаю, а также надежности, определяемой как факт доставки образца от одного конца трубки до другого. В качестве модельных объектов, имитирующих ткани организма с различной упругостью, инженеры использовали водные растворы, содержащие разные массовые доли желатина (от шести до двенадцати процентов) и мясной фарш. Кроме того, применялось два типа последовательностей работы лезвий. В первой, одно из лезвий выдвигается вперед, тогда как остальные пять сдвигаются в обратном направлении, а во второй последовательности шесть лезвий разделены попарно на три группы, одна из которых движется вперед, одновременно с этим две другие группы смещаются назад.

В результате наиболее эффективным устройство оказалось в режиме работы с поочередно по одному сдвигаемыми вперед лезвиями при перемещении девятипроцентного раствора желатина со средним коэффициентом транспортировки 4.21 миллиграмма в секунду. Это значение почти в сто раз меньше, чем у систем, основанных на аспирации. Однако несмотря на это, как замечают разработчики, устройство, использующее новый метод, будет обладать преимуществом при работе в окружении, требующем бережного обращения, таким, например, как головной мозг или позвоночник, а также при транспортировке твердых образцов через жидкие среды. Кроме того, величина коэффициента транспортировки может быть  увеличена за счет повышения частоты вращения электродвигателя (в данной работе она составляла всего 46 оборотов в минуту), нанесения дополнительного микрорельефа на внутреннюю поверхность транспортного канала и увеличения длины хода лезвий. Среди будущих усовершенствований авторы работы называют дальнейшую миниатюризацию устройства и применение гибких материалов.

Ранее сообщалось, что в Китае медики сделали трехлетней пациентке операцию по удалению лишних пальцев на правой и левой руках. Девочка из бедной семьи родилась с 14 пальцами.