Druk 3D i Aktywacja Magnetyczna: Przekraczanie Granic Rozmiaru Endoskopów

Napędzane endoskopy wytwarzane tradycyjnymi metodami, które integrują komponenty optyczne, aktuatory i konstrukcje mechaniczne, są ograniczone w możliwościach miniaturyzacji, a ich całkowita średnica zewnętrzna zazwyczaj przekracza 1 mm. Stanowi to wyzwanie dla dostępu do najdrobniejszych naczyń krwionośnych i wąskich światła w ludzkim ciele.

W 2025 roku badanie opublikowane w "Communications Engineering", siostrzanym czasopiśmie "Nature", przyniosło przełomowe osiągnięcie. Dziś zinterpretujemy ten raport badawczy.

Wspólne badanie przeprowadzone przez Uniwersytet w Stuttgarcie w Niemczech i inne instytucje zaproponowało i zweryfikowało wysoce kompaktowy, magnetycznie napędzany drukowany w 3D mikrosystem endoskopowy. Jego rdzeniem jest połączenie technologii druku 3D z polimeryzacją dwufotonową i napędu magnetycznego, co umożliwia jednoczesną, zintegrowaną produkcję kompletnego mikrosystemu ze strukturami optycznymi, mechanicznymi i mikroprzepływowymi bezpośrednio na czołowej powierzchni wiązki światłowodowej do obrazowania.

Sposób działania tej nowej technologii może być trudny do zrozumienia, a kluczowy punkt tkwi przede wszystkim we frazie „jednostopniowa zintegrowana produkcja”. Tradycyjne metody polegają na oddzielnym wytwarzaniu mikrokomponentów, takich jak mikrosoczewki, mikro-sprężyny i mikro-magnesy, a następnie ich składaniu pod mikroskopem, niczym podczas mikro-chirurgicznej operacji – jest to proces niezwykle trudny i podatny na błędy. W przeciwieństwie do tego, nowa technologia realizuje „jednokrotne drukowanie, integralne formowanie”: wszystkie komponenty są drukowane jako połączona całość, z natury stanowiąca jedną jednostkę, co całkowicie eliminuje koszmarne etapy mikro-montażu.

Eliminując żmudny proces mikro-montażu, złożone i precyzyjne mikro-systemy optyczne są wytwarzane w jednym kroku za pomocą druku 3D.

System zintegrowano z elektromagnetycznymi mikrosiłami, a pole magnetyczne sterowane prądem elektrycznym napędza magnesy związane polimerem osadzone w mikrostrukturze, co pozwala na precyzyjne przemieszczanie elementów optycznych.

Całkowita średnica wszystkich zademonstrowanych systemów została pomyślnie ograniczona poniżej 900 mikrometrów (0,9 mm), przy czym najbardziej kompaktowy system z napędem obrotowym mierzy zaledwie około 660 mikrometrów średnicy, co stanowi znaczącą miniaturyzację napędzanych urządzeń endoskopowych.

Zespół badawczy zademonstrował trzy magnetycznie sterowane mikrosystemy o odmiennych funkcjach, wyposażając endoskopy odpowiednio w możliwości powiększania, obrazowania w wysokiej rozdzielczości i panoramicznego widoku.

Zasada działania: Mikrosoczewka jest podparta przez trzy sprężyny śrubowe i osadzona w osiowo namagnesowanym magnesie polimerowym. Po zasileniu, pole magnetyczne generowane przez cewkę elektromagnetyczną popycha magnes i soczewkę do ruchu wzdłuż osi optycznej.

Funkcja: Ruch soczewki do przodu i do tyłu zmienia ogniskową, umożliwiając uzyskanie zoomu (w eksperymentach uzyskano współczynnik zoomu około 1,3 raza), a także może być wykorzystany do ponownego ustawienia ostrości na różnych odległościach obiektu bez przesuwania całego endoskopu.

Wymiary: Sam mikrosystem ma średnicę 500 mikrometrów i jest zintegrowany z światłowodem o średnicy 500 mikrometrów, co daje całkowitą średnicę około 810 mikrometrów.

Zasada działania: Specjalnie zaprojektowany elastyczny zawias (np. cztery równoległe sprężyny płaskie) pozwala mikrosoczewce na precyzyjne przemieszczanie boczne pod wpływem pola magnetycznego.

Funkcja: Ruch boczny powoduje niewielkie przesunięcie optycznej ścieżki obrazowania, co pozwala na uzyskanie wielu lekko przesuniętych obrazów tego samego obiektu. Poprzez łączenie tych obrazów za pomocą algorytmów, można skutecznie przezwyciężyć inherentny problem "plastrowatego" pikselowania wiązek światłowodów obrazujących, co znacząco poprawia rozdzielczość obrazu. Eksperymenty wykazały, że obrazy rekonstruowane mogą wyraźnie rozróżniać prążki, które pierwotnie były nierozróżnialne.

Wymiary: Całkowita średnica wynosi również około 810 mikrometrów.

Zasada działania: Mikropryzmat z ekscentrycznym magnesem polimerowym jest zamontowany na dwóch listwach skrętnych. Pole magnetyczne osiowe napędza magnes, powodując obrót pryzmatu wokół jego osi (w eksperymentach zmierzono kąt obrotu od około -6,9° do +9,0°).

Funkcja: Obrót pryzmatu zmienia kierunek ścieżki optycznej, tym samym przesuwając i rozszerzając obserwowalne pole widzenia. Umożliwia to lekarzom oglądanie obszarów bocznych bez przesuwania samego endoskopu, zwiększając świadomość sytuacyjną w wąskich przestrzeniach.

Wymiary: Wydrukowany na światłowodzie optycznym o średnicy 350 mikrometrów, cały system ma średnicę zaledwie około 660 mikrometrów, co czyni go najbardziej kompaktowym z trzech.

Niniejsze badanie stanowi ważny krok naprzód w miniaturyzacji endoskopów napędzanych. Łącząc najnowocześniejszą technologię druku 3D w skali mikro/nano z pomysłowym projektem aktywacji magnetycznej, otwiera zupełnie nową ścieżkę techniczną dla przyszłych ultraprecyzyjnych zabiegów małoinwazyjnych i diagnostyki w ekstremalnie wąskich przestrzeniach, takich jak naczynia krwionośne serca, układ nerwowy i zastosowania pediatryczne. Kiedy "oko" endoskopu będzie mogło nie tylko "widzieć", ale także "zoomować", "obracać się" i widzieć wyraźniej, granice medycyny małoinwazyjnej zostaną ponownie poszerzone.

Źródło cytowania:

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. i in. Magnetycznie sterowane mikrosystemy drukowane w 3D. Commun Eng 4, 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8