Science Advances：植入式磁控软体机器人辅助膀胱排尿

2022-08-26 03:08

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膀胱功能障碍（Underactive Bladder, UAB）是由于衰老、神经损伤、代谢综合征等原因导致的最常见的器官功能障碍之一。其临床表现为尿流缓慢、排尿困难、膀胱排空不全等，极大影响患者生活质量。严重时UAB会引起上尿路积水及肾功能衰竭等严重并发症，危及患者生命。UAB患者人群庞大，国内外多项流行病学研究证实，膀胱功能障碍的发病率约为10-23%，在70岁以上老年人群体中可高达42%-45%。现有UAB治疗手段以神经调控或姑息治疗为主。但是由于UAB发病机制复杂，上述两类手段均无法为所有患者有效的重建膀胱排尿功能，因此亟需新技术的加入，为UAB患者提供更多重获健康的机会。

华中科技大学臧剑锋教授、华中科技大学同济医学院附属同济医院刘继红教授、凌青副主任医师以及中国科学技术大学王柳教授团队联合在Science Advances上发表了题为“Magnetic Soft Robotic Bladder for Assisted Urination”的研究论文，提出了一种植入式的磁控软体机器人挤压膀胱的新方式，让UAB膀胱恢复排尿功能。

膀胱壁内存在一层被称为逼尿肌的肌肉，顾名思义其主要作用是在排尿时收缩以压缩膀胱使得膀胱内部压力升高至排尿阈值，实现尿液从膀胱内被挤出从而完成膀胱的清空。如图1所示，而UAB患者的逼尿肌往往无法正常收缩致使排尿无法完成。所以在膀胱内重建逼尿肌的升压效果，成为了恢复UAB患者排尿功能的关键。磁控软体机器人得益于磁场的对人体的穿透性和安全性，常被用于通过远程遥控的方式在人体内部作业。而磁场又兼具了高输出的能力，可以满足膀胱这一非节律性主动运动器官的运动需求。因此，作者利用以内嵌硬磁颗粒的硅胶为基体的磁控软体机器人设计了一种与充盈膀胱同形且具有一定支撑性的软体运动腔安装到病变膀胱外，待膀胱在其中自然充盈后通过体外磁场驱动来挤压膀胱完成膀胱内的升压。这种新器件被作者命名为Magnetic Robotic Bladder (MRB）。通过在UAB模型猪（膀胱体积与人类近似）上的植入，证明MRB可以实现人类逼尿肌的升压水平（~ 37cmH₂O）。

图1. 正常膀胱与UAB膀胱对比&MRB辅助排尿过程

为了避免膀胱内升压不足而使得尿液无法正常排出和升压过大使得尿液突破输尿管返流至肾脏两种情况，作者开发了一套基于磁响应软体力学模型的磁-流-固多场耦合的MRB分析优化方法。如图2所示，该方法将磁驱动软材料图案和内部磁颗粒含量作为MRB的两大主要设计指标。以正常膀胱排尿时内部压力为目标，通过有限元仿真计算，对不同设计进行压力输出分析并进行筛选确定最优结果。通过与实验对照，该模拟分析方法具有很高的准确性和指导价值。作者利用该方法，成功实现了满足特定膀胱排尿压力需求的，最轻量化MRB结构的定制化设计。

图2. MRB定制化设计方法

根据功能设计，MRB需要在体内长期工作，需要MRB材料具有优秀的相容性和稳定性。作者设计了磁响应软材料大面积多层涂敷办法，利用硅胶作为过渡层，在复杂崎岖的磁响应软材料表面覆盖了一层具有生物相容性的水凝胶薄膜，有效降低了MRB表面的摩擦力以及生物毒性，使MRB可在体内安全植入。同时，在MRB运动中产生大变形的部位内嵌网状材料，对硅胶基体材料进行增强增韧，使MRB可以完成多次反复的挤压。

图3. MRB生物相容性优化验证和功能重复性验证

MRB是以机械的形式驱动膀胱，这就对其在体内的固定提出了很高的要求。作者借鉴了盆底重建手术的思路，设计了一种MRB专用的植入方法。利用固定网片将MRB与盆腔内生理结构结合，使得膀胱能长期稳定的处于MRB驱动腔内。作者利用该方法，将MRB成功植入到UAB模型猪中，并进行了影像尿动力和长期常规尿动力监测。多种尿动力实验结果和模型猪长期植入后的生理指标观察，显示MRB可以在体内长期安全的对膀胱进行挤压并实现尿液的排出，证明了MRB可以辅助失能膀胱恢复排尿功能。

MRB方法绕开了器官功能重建的常见的神经调控路线，利用新型的软体机器人直接模拟器官肌肉运动来恢复膀胱的排尿生理功能，为UAB患者提供了新的治疗机会。这种体内无源体外驱动的磁控软体机器人技术辅助器官运动思路也有望向其他疾病进行推广。

图4. MRB植入方法设计与尿动力学验证

华中科技大学硕士研究生羊佑舟、华中科技大学博士研究生王佳鑫、中国科学技术大学王柳教授、华中科技大学硕士研究生吴清扬为本文的共同第一作者，华中科技大学臧剑锋教授、华中科技大学同济医学院附属同济医院凌青副主任医师、刘继红教授为共同通讯作者，华中科技大学脉冲强磁场实验室李亮教授、曹全梁教授及其团队成员谢延也参与了论文工作。论文第一单位为华中科技大学，合作单位为中国科学技术大学。

以上研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金原创探索计划、华中科技大学创新项目的资助。