چاپ سه‌بعدی و تحریک مغناطیسی: شکستن محدودیت اندازه آندوسکوپ‌ها

آندوسکوپ‌های قابل هدایت ساخته شده با روش‌های سنتی، که اجزای نوری، محرک‌ها و ساختارهای مکانیکی را ادغام می‌کنند، در قابلیت کوچک‌سازی خود محدود هستند و قطر خارجی کلی معمولاً از 1 میلی‌متر تجاوز می‌کند. این امر چالش‌هایی را برای دسترسی آن‌ها به ریزترین رگ‌های خونی و مجاری باریک در بدن انسان ایجاد می‌کند.

در سال ۲۰۲۵، مطالعه‌ای که در مجله Communications Engineering، خواهر مجله Nature، منتشر شد، پیشرفتی چشمگیر را به دست آورده است. امروز این گزارش تحقیقاتی را تفسیر خواهیم کرد.

این مطالعه مشترک توسط دانشگاه اشتوتگارت آلمان و سایر موسسات، یک سیستم میکروسکوپی آندوسکوپی بسیار فشرده و قابل هدایت مغناطیسی چاپ سه‌بعدی را پیشنهاد و تأیید کرد. هسته اصلی آن در ترکیب فناوری چاپ سه‌بعدی پلیمریزاسیون دو فوتونی و محرک مغناطیسی نهفته است، که امکان ساخت یکپارچه یک مرحله‌ای یک سیستم میکروسکوپی کامل با ساختارهای نوری، مکانیکی و میکروفلوئیدیک را مستقیماً بر روی انتهای یک دسته فیبر تصویربرداری فراهم می‌کند.

نحوه کار این فناوری جدید ممکن است درک دشواری داشته باشد و نکته کلیدی در ابتدا در عبارت "ساخت یکپارچه یک مرحله‌ای" نهفته است. روش‌های سنتی شامل ساخت جداگانه اجزای میکرو مانند لنزهای میکرو، فنرهای میکرو و آهنرباهای میکرو و سپس مونتاژ آنها زیر میکروسکوپ مانند انجام جراحی میکرو-مجسمه‌سازی است - فرآیندی که فوق‌العاده دشوار و مستعد خطا است. در مقابل، این فناوری جدید "چاپ یک‌باره، شکل‌دهی یکپارچه" را محقق می‌سازد: تمام اجزا به عنوان یک کل متصل به هم چاپ می‌شوند، ذاتاً یک واحد واحد هستند، بنابراین مراحل کابوس‌وار مونتاژ میکرو را به طور کامل حذف می‌کنند.

با حذف فرآیند مونتاژ میکرو خسته‌کننده، سیستم‌های میکرو اپتیکی پیچیده و دقیق در یک مرحله از طریق چاپ سه‌بعدی ساخته می‌شوند.

سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی کوچک در سیستم ادغام شده‌اند و میدان مغناطیسی کنترل‌شده توسط جریان الکتریکی، آهنرباهای پیوند داده شده با پلیمر را که در ریزساختار تعبیه شده‌اند، به حرکت در می‌آورد و در نتیجه حرکت دقیق اجزای نوری حاصل می‌شود.

قطر کلی تمام سیستم‌های نمایش داده شده با موفقیت زیر 900 میکرومتر (0.9 میلی‌متر) کنترل شده است، به طوری که جمع‌وجورترین سیستم محرک چرخشی تنها حدود 660 میکرومتر قطر دارد و کوچک‌سازی قابل توجهی از دستگاه‌های آندوسکوپی قابل هدایت را محقق می‌سازد.

تیم تحقیقاتی سه ریزسیستم قابل تحریک مغناطیسی با عملکردهای متمایز را به نمایش گذاشت که به ترتیب قابلیت‌های زوم، تصویربرداری با وضوح بالا و مشاهده پانوراما را به آندوسکوپ‌ها می‌بخشند.

اصل: یک ریز لنز توسط سه فنر مارپیچی پشتیبانی شده و در یک آهنربای پلیمری با مغناطیس محوری تعبیه شده است. هنگامی که سیم‌پیچ الکترومغناطیسی انرژی می‌گیرد، میدان مغناطیسی تولید شده توسط آن، آهنربا و لنز را برای حرکت در امتداد محور نوری هل می‌دهد.

عملکرد: حرکت رو به جلو و عقب لنز، طول کانونی را برای دستیابی به زوم (در آزمایش‌ها نسبت زوم تقریبی 1.3 برابر به دست آمد) تغییر می‌دهد و همچنین می‌تواند برای فوکوس مجدد در فواصل مختلف اشیاء بدون جابجایی کل آندوسکوپ استفاده شود.

ابعاد: خود سیستم میکروسکوپی دارای قطر 500 میکرومتر است و بر روی یک فیبر نوری 500 میکرومتری ادغام شده است، با قطر کلی حدود 810 میکرومتر.

اصل: یک لولای انعطاف‌پذیر با طراحی ویژه (به عنوان مثال، چهار فنر تخت موازی) به میکرولنز اجازه می‌دهد تا تحت تأثیر میدان مغناطیسی، جابجایی جانبی دقیقی را انجام دهد.

عملکرد: حرکت جانبی باعث جابجایی جزئی در مسیر نوری تصویربرداری می‌شود و در نتیجه چندین تصویر کمی جابجا شده از یک شیء واحد به دست می‌آید. با ادغام این تصاویر از طریق الگوریتم‌ها، مشکل ذاتی "پیکسل‌بندی شبیه لانه زنبوری" بسته‌های فیبر تصویربرداری به طور موثری غلبه می‌شود و وضوح تصویر به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. آزمایش‌ها ثابت کرده‌اند که تصاویر بازسازی‌شده می‌توانند نوارهایی را که در ابتدا قابل تشخیص نبودند، به وضوح متمایز کنند.

ابعاد: قطر کلی نیز تقریباً ۸۱۰ میکرومتر است.

اصل: یک میکرو منشور با یک آهنربای پلیمری خارج از مرکز از طریق دو میله پیچشی نصب شده است. یک میدان مغناطیسی محوری آهنربا را به حرکت در می‌آورد و باعث چرخش منشور حول محور خود می‌شود (در آزمایش‌ها زاویه چرخش تقریباً -6.9 درجه تا +9.0 درجه اندازه‌گیری شد).

عملکرد: چرخش منشور جهت مسیر نوری را تغییر می‌دهد و در نتیجه میدان دید مشاهده شده را جابجا و گسترش می‌دهد. این امر به پزشکان اجازه می‌دهد تا بدون جابجایی خود آندوسکوپ، نواحی جانبی را مشاهده کنند و آگاهی موقعیتی را در فضاهای تنگ افزایش دهند.

ابعاد: کل سیستم که بر روی یک فیبر نوری 350 میکرومتری چاپ شده است، تنها حدود 660 میکرومتر قطر دارد و آن را به فشرده‌ترین سیستم در بین این سه تبدیل می‌کند.

این مطالعه گامی مهم در جهت کوچک‌سازی آندوسکوپ‌های قابل هدایت محسوب می‌شود. با ترکیب فناوری پیشرفته چاپ سه‌بعدی میکرو/نانو با یک طرح محرک مغناطیسی مبتکرانه، مسیری فنی کاملاً جدید برای جراحی و تشخیص فوق‌العاده دقیق و کم‌تهاجمی در فضاهای بسیار باریک مانند عروق خونی قلب، سیستم عصبی و کاربردهای اطفال هموار می‌کند. هنگامی که "چشم" یک آندوسکوپ نه تنها قادر به "دیدن" باشد، بلکه بتواند "بزرگنمایی" کند، "به اطراف بچرخد" و واضح‌تر ببیند، مرزهای پزشکی کم‌تهاجمی بار دیگر گسترش خواهد یافت.

منبع استناد:

روترمل، اف.، تولوز، ا.، تیله، اس. و همکاران. سیستم‌های میکروسکوپی آندوسکوپی چاپ سه‌بعدی قابل فعال‌سازی مغناطیسی. Commun Eng 4، 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8