用于神经外科手术的新型软设备可以在三个领域产生重大影响，特别是：微创手术、靶向药物输送和植入式神经电极。软生物医学装置（soft devices）领域在过去十年中取得了长足的发展，但软生物医学设备从学术界到商业化的转化仍然有限。为了推动下一阶段的创新，确定可以由软设备处理的手术程序至关重要。神经外科手术为利用软设备在医疗应用中的潜力提供了许多机会。
近日，来自英国伦敦帝国理工学院的Firat Güder团队对其发展进行了系统的总结和展望。相关研究成果以“Soft devices in neurological surgery”为题于2023年5月12日发表在《Nature Reviews Materials》上。
神经组织非常脆弱，在与坚硬、不屈服的材料制成的设备连接或操作时容易受到损坏。软医疗设备与生物组织的机械不匹配度较低，但仍然耐用。因此，它们可以为一系列使用“硬”设备无法完全解决的临床问题提供独特的解决方案。虽然目前临床上没有受监管的软神经外科设备，但这个创新的领域已经产生了各种技术准备水平(TRLs)的广泛技术，包括早期实验室原型(TRL 1-3)和接近临床使用的设备 (TRL 5+)（图1）。
图1 神经外科软设备
1. 手术软工具
内窥镜颅脑手术使用刚性、笔直的内窥镜，而软内窥镜致动器可以促进内窥镜和组织牵开器的开发，从而消除视线式操作的要求。
许多神经系统疾病，例如脑肿瘤，都位于蛛网膜下腔称为池的小而深的开口内。传统的内窥镜方法往往难以进入这些蛛网膜下腔。由远程机器人磁力的外部应用控制的软连续体机器人提供比传统手动和磁头线更平稳、更安全和更快的导航，并具有远程访问的额外优势。这些设备已经在猪模型 (TRL 5) 中进行了测试，但由于神经血管外科领域的强烈活动、兴趣和明确的监管途径，预计很快将达到更高的 TRL (TRL 7–8)。然而，迄今为止，对软内窥镜工具的研究大多局限于腹部手术，只有少数神经外科领域的例子。
另一种可以使用软材料改进的工具是脑牵开器（图1a）。在脑肿瘤等疾病的手术过程中，经常需要进行脑牵拉。软牵开器可以容纳自然脉动、动态的神经组织，从而减少组织损伤。例如，开发了一种可通过钻孔展开的折纸致动器（TRL 4，体外测试有限），与刚性工具相比，它可以更容易地被引导到更深的位置，并且可以在手术过程中气动充气。
2. 用于给药的软装置
在大多数情况下，血脑屏障只允许将亲脂性或小分子转运到中枢神经系统，从而使靶向、高效的药物输送成为一项挑战。由有机硅制成的软致动器能够以受控速率将多种药物靶向递送至神经系统中难以到达的位置（图1b）。
用于药物输送的软体机器人技术是最近发展起来的一个领域，部分归功于新的制造策略，例如多步成型和自折叠与光刻相结合。一种这样的软植入装置可在发出药物喷射命令后 70 秒内输送癫痫药物，并成功抑制小鼠癫痫发作 (TRL 5)。这种类型的药物输送系统可能会治疗癫痫持续状态，这是一种医疗急症。
然而，该设备的当前版本是为一次性插入皮下和长期使用而设计的，需要在使用后补充药物供应，目前没有提供这一功能。一旦实现这一点，软机器人就可以实现独特的药物干预，例如致命性癫痫发作的原位治疗。这个方向应该是该领域的重点，因为已经存在许多具有成本效益、高效的药物输送方法（如口服、皮下和静脉内）。软设备具有耐用性和易于操作的特点，可以将药物快速输送和给药到具有高空间选择性和微创性的复杂解剖结构的身体区域。
3. 软植入式神经电极
植入式神经电极可实现中枢神经系统与外部计算机或设备之间的通信。植入的电极直接与神经组织连接以记录神经信号和/或为神经调节或神经假体提供电刺激。
用于脑深部刺激的植入式硬电极是一种常见的临床应用，通常由铂铱合金和聚氨酯通过溅射和基于光刻的微细加工制成。硬电极的性能会随着时间的推移而下降，从而产生质量较差的记录和不太有效的刺激。主要原因是在设备周围形成了纤维化胶囊，部分原因是硬电极无法适应复杂的神经几何结构和脉动血流，从而导致组织受损。此外，硬金属电极也不适合MRI测量。
图2 硅CMOS数字神经探针
相反，软电极提供较低的机械对比度和较高程度的仿生学，并且可以适应复杂的几何形状。例如，E-dura (TRL 5)是一种可长期植入的神经电极，具有与大脑硬脑膜相同的弹性。
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4. 临床转化的障碍
医疗器械从创意到临床可用性的开发过程漫长（3-7 年直到临床演示和法规遵从）、复杂且成本高昂（仅上市前批准就平均花费 9400 万美元）。由于软设备是一项新技术，因此没有用于大规模工业生产的标准化流程。这会导致更高的制造成本并进一步使合规性复杂化。
为了具有竞争力，一项新的医疗技术必须比现有解决方案更便宜或更有效，或者它需要解决当前未解决的问题。如果新医疗设备也有商业应用，那么资助该设备的开发是有动力的：例如，Neuralink 的脑机接口植入物在恢复感觉和运动功能方面有临床应用，但也可以与手机和电脑游戏进行通信，以加快速度反应和反应时间。该领域初创企业的存在和动态性质，例如 Neurosoft Bioelectronics，加速了在临床上提供新的、面向患者的技术的过程。
软设备面临着重大的监管和伦理障碍，这些障碍减缓了它们的临床实施。为了加速这些设备的批准并提高质量，IDEAL-D（设备创新的想法、开发、探索、评估、长期跟进）建议提供了一种系统的方法来评估新的手术设备，同时考虑来自不同方面的输入利益相关者。将软设备应用于大脑具有很高的风险，并且这些设备通常必须经过动物模型（例如大鼠和非人类灵长类动物）的测试，然后进行首次人体研究以确保其安全性和可行性。为了从患者的角度衡量这些设备的可接受性，必须进行焦点小组或调查。临床医生必须考虑设备的可用性，包括人体工程学和人为因素，以及是否需要额外培训。此外，从系统的角度来看，必须进行经济建模以评估更广泛的健康经济影响。
5. 未来展望
2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展认为，软机器作为一个领域经历了十年的快速发展，在此期间，许多研究都是“为软而软”。为确保可持续性，重点应放在寻找只能由软医疗设备解决的应用。例如，传统的硬电极最近被用于恢复脊髓损伤后的躯干和腿部运动功能。
软电极可以促进这种治疗的长期可行性和个性化，并且它们是灵活的，适用于神经调节，因此可以以微创方式植入脑深部刺激，同时适应大脑的复杂形态。总之，未来的软材料最终将提高植入神经装置的生物相容性、寿命和多功能性。
文章来源：EngineeringForLife
