Последнее обновление 03.05

3D-печать и магнитная активация: преодоление ограничения размера эндоскопов

Приводимые в движение эндоскопы, изготовленные традиционными методами, которые интегрируют оптические компоненты, актуаторы и механические структуры, ограничены в своих возможностях миниатюризации, при этом общий внешний диаметр обычно превышает 1 мм. Это создает проблемы для их доступа к мельчайшим кровеносным сосудам и узким просветам в человеческом теле.

В 2025 году исследование, опубликованное в журнале Communications Engineering, сестринском журнале Nature, достигло прорывного прогресса. Сегодня мы интерпретируем этот исследовательский отчет.

I. Ключевой прорыв – 3D-печать + магнитное приведение в действие

Это совместное исследование Университета Штутгарта в Германии и других учреждений предложило и проверило высококомпактную, управляемую магнитом 3D-печатную эндоскопическую микросистему. Ее суть заключается в сочетании технологии 3D-печати двухфотонной полимеризацией и магнитного приведения в действие, что позволяет одноэтапно интегрировать изготовление полной микросистемы с оптическими, механическими и микрофлюидными структурами непосредственно на торцевой поверхности пучка световодов для формирования изображений.

Принцип работы этой новой технологии может быть сложен для понимания, и ключевым моментом является фраза «интегрированное производство за один шаг». Традиционные методы включают отдельное изготовление микрокомпонентов, таких как микролинзы, микропружины и микромагниты, а затем их сборку под микроскопом, подобно выполнению микрохирургической операции – процесс, который чрезвычайно сложен и подвержен ошибкам. В отличие от этого, новая технология реализует «печать за один раз, интегральное формирование»: все компоненты печатаются как единое взаимосвязанное целое, изначально являющееся одним блоком, что полностью исключает кошмарные этапы микросборки.

Ключевые инновации:

Производственная революция

Устраняя утомительный процесс микросборки, сложные и точные микрооптические системы изготавливаются за один шаг с помощью 3D-печати.

Метод приведения в действие

В систему интегрированы электромагнитные микрокатушки, а магнитное поле, управляемое электрическим током, приводит в движение полимерно-связанные магниты, встроенные в микроструктуру, тем самым обеспечивая точное перемещение оптических компонентов.

Максимальная миниатюризация

Общий диаметр всех продемонстрированных систем успешно контролировался ниже 900 микрометров (0,9 мм), при этом самая компактная система с вращательным приводом имела диаметр всего около 660 микрометров, что позволило достичь впечатляющей миниатюризации управляемых эндоскопических устройств.

II. Три инновационные функции для расширения поля зрения эндоскопов

Исследовательская группа продемонстрировала три магнитно-приводимых микросистемы с различными функциями, наделяя эндоскопы возможностями масштабирования, высококачественной визуализации и панорамного обзора соответственно.

1. Система осевого привода: достижение масштабирования и регулировки фокусировки

Принцип: Микролинза поддерживается тремя винтовыми пружинами и встроена в аксиально намагниченный полимерный магнит. При подаче питания магнитное поле, генерируемое электромагнитной катушкой, толкает магнит и линзу для перемещения вдоль оптической оси.

Функция: Движение линзы вперед и назад изменяет фокусное расстояние для достижения масштабирования (в экспериментах был получен коэффициент масштабирования примерно в 1,3 раза), а также может использоваться для перефокусировки на различных расстояниях до объекта без перемещения всего эндоскопа.

Размеры: Сама микросистема имеет диаметр 500 микрометров и интегрирована на оптическое волокно диаметром 500 микрометров, общий диаметр составляет около 810 микрометров.

2. Система боковой активации: Преодоление предела разрешения

Принцип: Специально разработанный гибкий шарнир (например, четыре параллельные листовые пружины) позволяет микролинзе выполнять точное боковое перемещение под действием магнитного поля.

Функция: Боковое смещение вызывает небольшое смещение оптического пути изображения, что позволяет получить несколько немного смещенных изображений одного и того же объекта. Объединяя эти изображения с помощью алгоритмов, можно эффективно преодолеть присущую волоконным пучкам проблему пикселизации, похожую на "пчелиные соты", что значительно повышает разрешение изображения. Эксперименты показали, что реконструированные изображения могут четко различать полосы, которые изначально были неразличимы.

Размеры: Общий диаметр также составляет приблизительно 810 микрометров.

3. Система роторного привода: Расширение поля зрения

Принцип: Микропризма с эксцентричным полимерным магнитом установлена на двух торсионных стержнях. Осевое магнитное поле приводит в движение магнит, вызывая вращение призмы вокруг своей оси (в экспериментах был измерен угол вращения примерно от -6,9° до +9,0°).

Функция: Вращение призмы изменяет направление оптического пути, тем самым смещая и расширяя наблюдаемое поле зрения. Это позволяет врачам просматривать боковые области, не перемещая сам эндоскоп, что повышает ситуационную осведомленность в узких пространствах.

Размеры: Система, напечатанная на оптическом волокне толщиной 350 микрометров, имеет общий диаметр всего около 660 микрометров, что делает ее самой компактной из трех.

III. Технические преимущества и будущие проблемы

Преимущества

Сверхвысокая интеграция: Оптические, механические и приводные блоки напечатаны и интегрированы в единое целое, отличаясь чрезвычайно компактной структурой.
Отсутствие микросборки: Избегание утомительного и подверженного ошибкам процесса микросборки в традиционных методах производства.
Свобода проектирования: 3D-печать позволяет изготавливать сложные оптические компоненты и механические конструкции свободной формы.

Текущие ограничения и будущие направления

Без инкапсуляции: В настоящее время продемонстрированные системы не инкапсулированы для жидких сред и поэтому не могут быть непосредственно применены в условиях in-vivo или водной среды. Однако авторы отмечают, что статические 3D-печатные эндоскопы уже достигли этой возможности, что может служить ориентиром для управляемых систем.
Оптимизация производительности: Качество поверхности оптических компонентов, гистерезисный эффект, вызванный вязкоупругостью материалов, и точное управление магнитными полями являются ключевыми факторами, влияющими на повторяемость, скорость отклика и качество изображения. В будущем оптимизация может быть достигнута за счет улучшения процессов печати и внедрения обратной связи (например, на основе контрастности изображения или датчиков Фабри-Перо).
Расширение функциональности: Представленные в данной статье системы являются прототипами, демонстрирующими концепцию, с относительно простыми оптическими схемами (состоящими всего из 1-2 компонентов). В будущем могут быть разработаны более сложные оптические схемы для конкретных применений (например, эндомикроскопии), а также исследована интеграция дополнительных функций, таких как магнитно-приводимые микробиопсийные щипцы.

IV. Заключение

Данное исследование является важным шагом вперед в миниатюризации управляемых эндоскопов. Объединяя передовые технологии микро/нано 3D-печати с оригинальной конструкцией магнитного привода, оно прокладывает совершенно новый технический путь для будущей сверхточной минимально инвазивной хирургии и диагностики в чрезвычайно узких пространствах, таких как кровеносные сосуды сердца, нервная система и педиатрические применения. Когда "глаз" эндоскопа сможет не только "видеть", но и "приближать", "вращаться" и видеть более четко, границы минимально инвазивной медицины снова расширятся.

Источник цитирования: 

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. et al. Магнитно управляемые 3D-печатные эндоскопические микросистемы. Commun Eng 4, 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8

Другие новости