In 3D và Cơ cấu từ tính: Vượt qua giới hạn kích thước của nội soi

Ống nội soi có thể điều khiển được sản xuất bằng các phương pháp truyền thống, tích hợp các thành phần quang học, bộ truyền động và cấu trúc cơ khí, bị giới hạn về khả năng thu nhỏ, với đường kính ngoài tổng thể thường vượt quá 1 mm. Điều này đặt ra những thách thức cho việc tiếp cận các mạch máu nhỏ nhất và các khoang hẹp trong cơ thể người.

Vào năm 2025, một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Communications Engineering, một tạp chí chị em của Nature, đã đạt được một bước đột phá mang tính cách mạng. Hôm nay chúng ta sẽ diễn giải báo cáo nghiên cứu này.

Nghiên cứu hợp tác này của Đại học Stuttgart ở Đức và các tổ chức khác đã đề xuất và xác minh một hệ thống vi mô nội soi in 3D có khả năng điều khiển bằng từ tính, có kích thước cực kỳ nhỏ gọn. Cốt lõi của nó nằm ở sự kết hợp giữa công nghệ in 3D trùng hợp hai photon và cơ cấu từ tính, cho phép chế tạo tích hợp một bước của một hệ thống vi mô hoàn chỉnh với các cấu trúc quang học, cơ học và vi lỏng trực tiếp trên mặt cuối của bó sợi hình ảnh.

Chế độ hoạt động của công nghệ mới này có thể khó hiểu, và điểm mấu chốt đầu tiên nằm ở cụm từ "chế tạo tích hợp một bước". Các phương pháp truyền thống bao gồm việc sản xuất các vi bộ phận như vi thấu kính, vi lò xo và vi nam châm một cách riêng biệt, sau đó lắp ráp chúng dưới kính hiển vi giống như thực hiện phẫu thuật vi điêu khắc – một quy trình cực kỳ khó khăn và dễ xảy ra lỗi. Ngược lại, công nghệ mới này thực hiện "in một lần, tạo thành khối thống nhất": tất cả các bộ phận được in thành một thể thống nhất, vốn dĩ là một đơn vị duy nhất, do đó loại bỏ hoàn toàn các bước lắp ráp vi mô đầy ám ảnh.

Loại bỏ quy trình lắp ráp vi mô tẻ nhạt, các hệ thống vi mô quang học phức tạp và chính xác được chế tạo trong một bước thông qua in 3D.

Cuộn dây điện từ siêu nhỏ được tích hợp vào hệ thống, và từ trường được điều khiển bởi dòng điện sẽ điều khiển các nam châm liên kết polymer được nhúng trong vi cấu trúc, từ đó đạt được chuyển động chính xác của các thành phần quang học.

Đường kính tổng thể của tất cả các hệ thống được trình diễn đã được kiểm soát thành công dưới 900 micromet (0,9 mm), với hệ thống truyền động quay nhỏ gọn nhất chỉ đo được khoảng 660 micromet đường kính, hiện thực hóa khả năng thu nhỏ đáng kể các thiết bị nội soi có thể điều khiển được.

Đội ngũ nghiên cứu đã trình diễn ba hệ thống vi mô có thể điều khiển bằng từ tính với các chức năng riêng biệt, trang bị cho kính nội soi khả năng thu phóng, chụp ảnh độ nét cao và xem toàn cảnh tương ứng.

Nguyên lý: Một vi thấu kính được đỡ bởi ba lò xo xoắn ốc và nhúng trong nam châm polymer có từ tính theo trục. Khi được cấp điện, từ trường do cuộn dây điện từ tạo ra sẽ đẩy nam châm và thấu kính di chuyển dọc theo trục quang học.

Chức năng: Chuyển động tiến và lùi của thấu kính làm thay đổi tiêu cự để đạt được thu phóng (tỷ lệ thu phóng khoảng 1,3 lần đã thu được trong các thí nghiệm), và nó cũng có thể được sử dụng để lấy nét lại ở các khoảng cách vật thể khác nhau mà không cần di chuyển toàn bộ kính nội soi.

Kích thước: Bản thân hệ thống vi mô có đường kính 500 micromet và được tích hợp trên sợi quang học đường kính 500 micromet, với tổng đường kính khoảng 810 micromet.

Nguyên lý: Một khớp nối linh hoạt được thiết kế đặc biệt (ví dụ: bốn lò xo lá song song) cho phép vi thấu kính thực hiện dịch chuyển ngang chính xác dưới tác động của từ trường.

Chức năng: Chuyển động ngang gây ra sự dịch chuyển nhẹ trong đường đi quang học của hình ảnh, do đó thu được nhiều hình ảnh hơi lệch của cùng một đối tượng. Bằng cách hợp nhất các hình ảnh này thông qua các thuật toán, vấn đề "pixel hóa giống như tổ ong" cố hữu của các bó sợi hình ảnh có thể được khắc phục hiệu quả, cải thiện đáng kể độ phân giải hình ảnh. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng các hình ảnh được tái tạo có thể phân biệt rõ ràng các vân ban đầu không thể phân biệt được.

Kích thước: Đường kính tổng thể cũng khoảng 810 micromet.

Nguyên lý: Một lăng kính vi mô với nam châm polymer lệch tâm được gắn qua hai thanh xoắn. Một từ trường trục điều khiển nam châm, làm cho lăng kính quay quanh trục của nó (góc quay khoảng -6,9° đến +9,0° đã được đo trong các thí nghiệm).

Chức năng: Sự quay của lăng kính làm thay đổi hướng của đường đi quang học, từ đó dịch chuyển và mở rộng trường nhìn quan sát. Điều này cho phép các bác sĩ lâm sàng nhìn thấy các khu vực bên cạnh mà không cần di chuyển chính ống nội soi, nâng cao nhận thức tình huống trong không gian hẹp.

Kích thước: Được in trên sợi quang 350 micromet, toàn bộ hệ thống chỉ có đường kính khoảng 660 micromet, làm cho nó trở thành hệ thống nhỏ gọn nhất trong ba hệ thống.

Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc thu nhỏ kích thước của ống nội soi có thể điều khiển được. Bằng cách kết hợp công nghệ in 3D siêu nhỏ/nano tiên tiến với thiết kế truyền động bằng từ tính khéo léo, nghiên cứu mở ra một con đường kỹ thuật hoàn toàn mới cho phẫu thuật và chẩn đoán xâm lấn tối thiểu siêu chính xác trong tương lai ở những không gian cực kỳ hẹp như mạch máu tim, hệ thần kinh và các ứng dụng nhi khoa. Khi "con mắt" của ống nội soi không chỉ có thể "nhìn" mà còn có thể "phóng to", "xoay quanh" và nhìn rõ hơn, ranh giới của y học xâm lấn tối thiểu sẽ lại được mở rộng.

Nguồn trích dẫn:

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. và cộng sự. Hệ thống vi mô nội soi in 3D có thể điều khiển bằng từ tính. Commun Eng 4, 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8