Nieuwe magnetische technologieën voor endovasculaire toepassingen

Traditionele chirurgische procedures om coronaire aandoeningen te behandelen zijn zeer invasief en brengen een hoog risico op morbiditeit met zich mee. Er zijn daarentegen minimaal invasieve procedures ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van geleidingsdraden en catheters om toegang te krijgen tot diepe en afgelegen anatomische delen van het lichaam. Dergelijke procedures zijn even efficiënt als traditionele chirurgische methoden en tegelijkertijd veiliger. Daarom wordt het gebruik van catheters steeds gebruikelijker bij interventionele procedures zoals stentplaatsing, laserablatie en diagnostiek. Het werken met traditionele catheters en geleidingsdraden vereist echter uitgebreide vaardigheden en ervaring van de interventionist. Navigatie in een bochtige omgeving is ingewikkeld omdat conventionele apparaten geen actieve tipbesturing hebben. Met meer ervaring en vaardigheden van de gebruiker neemt het succespercentage van endoluminale catheterisatieprocedures toe. Om deze behoefte aan vaardigheid en ervaring te compenseren, worden robotbenaderingen en bestuurbare catheters voorgesteld.

Robotbenaderingen helpen de catheternavigatie te verbeteren en bieden een ergonomischer systeem en een grotere precisie om de omleiding van anomalieën te vergemakkelijken en weefselschade te voorkomen.  Hoewel robotbenaderingen een goede navigatieprecisie en -nauwkeurigheid bereiken, gaan zij gebukt onder hoge kosten. Er is ook een insteltijd voor het systeem vóór elke procedure en er is extra opleiding van het personeel nodig. Het gebruik van bestuurbare catheters daarentegen brengt aanzienlijk lagere kosten en insteltijd met zich mee, terwijl het de interventionist toch aanzienlijk helpt bij de navigatie en controle. Bovendien kunnen catheters met een zacht lichaam zorgen voor een betere navigatie, zelfs onder scherpe hoeken. Gezien hun vermogen om gemakkelijk te vervormen en zich aan te passen aan de omgeving, zijn zachte materialen bijzonder aantrekkelijk voor medische toepassingen, dankzij hun inherente veiligheid bij de interactie met lichaamsweefsels. Van de vele stimuli om zachte materialen aan te drijven, is magnetische aandrijving op afstand bij uitstek geschikt voor deze taak, vanwege de veiligheid, beheersbaarheid en miniaturisering ervan. Het combineren van de voordelen van magnetische aandrijving en zachte materialen is daarom een aantrekkelijke optie. Uit de in de literatuur vermelde magnetisch bediende catheters is gebleken dat in plaats van discrete permanente magneten in de catheter in te bouwen, het gunstiger is om gelijkmatig verdeelde magnetische microdeeltjes in het hele lichaam te gebruiken. Het gebruik van magnetische microdeeltjes als gedistribueerde actuatiebronnen maakt de potentiële miniaturisering van magnetische catheters en voerdraden tot op submillimeterschaal mogelijk, wat met andere technieken onmogelijk zou zijn. Door de richting van de magnetisatie van de magnetische microdeeltjes in de magnetic catheter of andere zachte magnetische structuren te controleren, kan de manier waarop zij zich in een magnetisch veld gedragen worden geprogrammeerd. In dit proefschrift wordt een nieuw fabricageparadigma beschreven dat de voordelen van 3D-printen en controle over de magnetisatie van de structuur kan combineren en benutten. In het algemeen kunnen zachte magnetische structuren met een niet-uniform magnetisatieprofiel een multimodale voortbeweging bereiken die nuttig is om in kleine ruimtes te werken. Het inbouwen van een dergelijke magnetische anisotropie in het lichaam is echter niet eenvoudig. Bestaande methoden zijn ofwel beperkt in de anisotrope profielen die zij kunnen bereiken, of zijn te omslachtig en tijdrovend om te produceren.

Dit proefschrift demonstreert een 3D-printmethode waarmee magnetische anisotropie rechtstreeks in de geprinte zachte structuur kan worden ingebouwd. Dit biedt tegelijkertijd een eenvoudige en tijdsefficiënte strategie voor het maken van prototypes van magnetische zachte robots. Bij het voorgestelde proces worden de gemagnetiseerde deeltjes in de magnetische inkt van de 3D-printer georiënteerd door een nieuw ontworpen elektromagnetisch spoelsysteem dat tijdens het printen op de deeltjes inwerkt. De resulterende structuren werden uitgebreid gekarakteriseerd om de validiteit van het proces te bevestigen. De mate van oriëntatie lag tussen 92% en 99%. Enkele voorbeelden van op afstand bediende kleine zachte robots die met de ontwikkelde methode werden geprint, worden ook gedemonstreerd. Net zoals 3D printen de vrijheid geeft om een groot aantal variaties in vormen te printen, geeft de voorgestelde methode ook de vrijheid om een uitgebreid bereik van magnetische anisotropie te incorporeren.

Een holle catheter geeft de mogelijkheid om geleidingsdraden en andere functionaliteiten in te brengen die nodig kunnen zijn tijdens de interventie. Voor zover de auteur weet, toont dit werk de eerste holle zachte magnetic catheter tip voor het richten van de kransslagaders, vervaardigd met behulp van de ontwikkelde 3D-printmethode. Een External Permanent Magnet (EPM) die gemonteerd kan worden op een robotarm werd gebruikt om de gefabriceerde magnetische catheter aan te drijven. De catheter werd in detail gekarakteriseerd wat betreft zijn buighysterese, buigkrachten en dynamische respons. De catheter vertoonde gemiddeld <10% hysterese en buigkrachten tot 0,8N. De magnetische catheter werd vervolgens met succes geleid (5 van de 6 keer) met behulp van de EPM gemonteerd op een robotarm in een realistisch aortafantoom terwijl hij werd ingebracht met behulp van een robotcatheterdriver. Elke succesvolle proef duurde around 100s.

Verder werd dit concept uitgebreid tot een catheterisatieplatform met robotondersteuning. In combinatie met een grotere basiscatheter die zich in de aorta kan verankeren en de magnetische catheters kan geleiden, werd 100% (10 proeven) succesvolle catheterisatie bereikt vanaf bepaalde verankeringspunten in de aorta. Ook werden gebieden geïdentificeerd van waaruit het niet mogelijk was succesvolle catheterisaties uit te voeren. De in dit proefschrift ontwikkelde procedure zou ook kunnen worden uitgebreid tot andere endovasculaire toepassingen zoals ureteroscopie of cerebrovasculaire interventie.

Hoewel catheters bestaande uit discrete permanente magneten niet goed geschikt zijn om door nauwe lumen van het lichaam te navigeren, zijn zij zeer geschikt voor het filteren en terughalen van therapeutische magnetische nanodeeltjes uit de bloedbaan. Er wordt een catheterconcept met een magnetische module gepresenteerd. Een hoge vangstefficiëntie (50% tot 92%) voor een gevarieerde deeltjesgrootte (10nm tot 500nm) werd numeriek berekend. De voorgestelde methode zou een oplossing kunnen zijn voor het vaak onbesproken probleem van het gebruik van magnetische micro- en nanodeeltjes voor therapie in het lichaam.

In het algemeen wordt aangenomen dat het gebied van nieuwe magnetische technologieën voor endovasculaire toepassingen door dit proefschrift een stap vooruit zal gaan.