全球1/4的人死于這類細微顆粒物，而科學家如今數秒內即可高效清除它們

（來源：科普中國）

轉自：科普中國

你有沒有發現，腦梗、心梗等曾經被視為老年人專屬的突發性疾病，如今已經悄悄地盯上了越來越多的年輕人。而在它們背后，常常藏著同一個元兇：血栓。據統計，全球有 1/4 的人死于血栓形成引起的疾病。

想象一下，你的血管里突然出現了這樣一塊黏糊糊的、半固體狀的“不速之客”，它會堵住血管，造成局部組織缺血壞死。如果它堵住的是供養心臟的冠狀動脈，那么就可能引發致命的心肌梗塞；堵住的是腦動脈，則可能引起缺血性腦卒中，也就是我們熟知的“腦梗”。

出現此類情況后，醫生通常會第一時間使用藥物嘗試溶栓。但溶栓藥物也有窗口期，如果錯過了最佳時機，血栓會變得穩定而頑固，溶栓不僅無效，反而可能引發血管破裂等嚴重并發癥。這時候，就需要醫生通過機械的方式，盡快地“疏通”血管。

在一篇近期發表于《自然》（Nature）的論文中，美國斯坦福大學（Stanford University）的趙芮可團隊開發了一種快速疏通血管、取走血栓的方法。他們設計出了一種直徑僅為 1 毫米左右的微型結構，讓它在導管的輔助下瘋狂旋轉，就能在短短幾秒內將血栓壓縮至原來體積的 5%，從而輕而易舉地吸走血栓，讓血管恢復暢通。

詭異的現象

趙芮可團隊原本一直專注于軟體機器人的研究。2022 年，他們發明了一種靈感源自折紙藝術的微型機器人。這個機器人只有指甲蓋大小，呈六邊形的中空結構，側面留有空隙，頂部還嵌入了一塊磁鐵。當外界施加磁場時，它就能不停地旋轉，并以此獲得向前的推動力，從而在地面和水中完成跳躍、游動等不同任務。

趙芮可團隊開發的折紙機器人能在地面和水中完成各種任務 視頻來源：原論文

但與其他單純向前行進的機器人不同，這種中空側面帶縫隙的設計，使得這種折紙機器人還會在旋轉過程中產生強大的負壓，就像一個微型漩渦，能將面前的水吸入腔體，再從側面的縫隙甩出去。趙芮可形容道：“它就像一個洗衣機在滾筒內產生渦流，只不過洗衣機沒法把水甩出去。”

正是這種強大的吸力，引起了趙芮可團隊的濃厚興趣。趙芮可開始設想：如果能把這種裝置做得足夠小，小到可以讓它自由地穿行于血管之中，那么是不是就能像吸塵器吸走垃圾那樣，吸走那些堵住血管的血栓？

這種設想并非天方夜譚。事實上，用“吸”的方式清除血栓，早已是臨床上機械取栓的主流方案之一，也被稱為“血栓抽吸術”（aspiration thrombectomy）。使用這種方法時，醫生會將一根導管小心地送入血管，一直深入到血栓所在的位置，然后就像使用吸塵器一樣，直接將血栓吸走。

另一種常用的取栓方式是“支架取栓術”（stent retriever），這種方法更像是撒網捕魚。導管抵達血栓后，會先將一個處于折疊狀態的支架繞過或者穿過血栓，然后展開支架，使其像網兜一樣套住血栓，然后連同支架一同拖回導管內，從而“撈”出血栓。

而趙芮可團隊決定將他們的微型機器人用于血栓抽吸。首先，他們將裝置的直徑縮小到了 1 毫米左右，只有這樣，才能確保它可以順利進入大腦中較大的血管（直徑約為 3～5 毫米）。其次，他們提取了折紙機器人結構中最關鍵的要素——空心和側面開槽，設計了一種帶有側面開口的管狀結構。

一切看起來都非常合理。然而，當趙芮可的博士研究生滿懷期待地用這個精心設計的結構去測試血栓抽吸時，情況卻沒有按預期的方向發展。的確，這個裝置成功吸住了血栓。但隨著裝置持續旋轉，血栓出現了一種詭異的變化：血栓不僅顏色越來越白，體積也越來越小了！這一反常現象立刻引起了趙芮可的注意。這究竟是怎么回事？他們決定深入到血栓的微觀結構中尋找答案。

意外之喜

如果我們用肉眼觀察，血栓就像一團深紅色的果凍。但如果放在顯微鏡下，你會發現其中含有大量紅細胞和少量其他成分。但更重要的是，血栓之所以能保持半固體的形態，關鍵在于其核心骨架——纖維蛋白。如果你看過動畫片《工作細胞》，或許會對其中可愛的血小板編織成的纖維蛋白網絡印象深刻。正是這種網狀結構，將血液中各種成分牢牢兜住、捆綁在一起，從而形成了穩定的血栓。

在顯微鏡下，趙芮可團隊對處理前后的血栓進行了細致對比。他們發現，經過裝置處理后，血栓中的紅細胞都消失不見了，這正是血栓顏色變白的原因。與此同時，那些構成血栓骨架的纖維蛋白也變得異常致密，像是被什么力量“壓實”了一樣。

一個畫面隨即浮現在了趙芮可的腦海中：一雙大手，正在反復搓揉一團松散的棉花。隨著不斷揉搓，棉花變得越來越小，最終變成了一個小小的棉球。原來如此！他們的裝置在工作時，產生了兩種關鍵的力量：一種是負壓帶來的壓力，另一種則是旋轉過程中產生的摩擦力。正是這兩種力量的共同作用，把血栓搓緊、搓小了。

圖片來源：原論文

可另一個疑問也隨之而來：如果纖維蛋白被搓小了，那么原本被困在其中的紅細胞又去了哪里？經過大量的實驗，研究團隊最終證實，紅細胞并沒有被破壞，而是在裝置高速旋轉的過程中，從不斷致密化的血栓纖維中被擠了出去。

這些發現讓趙芮可團隊意識到，他們的裝置擁有現有機械取栓方法難以比擬的優勢。首先，不同血栓中纖維蛋白的含量差異很大，這直接導致了血栓的硬度也各不相同。在臨床上，血栓越硬，機械取栓的難度就越大。面對這些頑固的硬血栓，無論是傳統的抽吸術還是支架取栓，成功率都極低，根本無法應對。

但更棘手的是，傳統的機械取栓方法還有一個潛在的風險：血栓碎裂。趙芮可解釋道：“要把一個堵住血管的血栓吸進或者拉入導管，也就意味著要把一個直徑接近甚至超過血管截面的東西，強行塞進一個直徑小于血管的容器里。也就是說，這些方法要么需要讓血栓變形，要么得讓它碎裂。”

而一旦血栓碎裂，形成的碎片很可能就會順著血液漂流，有可能堵塞遠端更細小的血管。這不僅會讓血栓變得更難處理，還可能帶來一系列嚴重的后遺癥。事實上，對于大多數腦梗患者來說，堵塞他們大腦血管的血栓并非在大腦中形成，而往往是身體其他部位的血栓碎片漂流到了大腦，最終堵住了腦血管。

相比之下，趙芮可團隊的新方法則完美地避免了這些風險。他們的策略并非讓血栓變形或者碎裂，而是通過旋轉產生負壓和剪切力的聯合作用，直接讓血栓極速變小，從而能輕松地被導管吸走，沒有破裂風險。不僅如此，即便是質地堅硬、富含大量纖維蛋白的血栓，這種方法也能輕松應對。

初步驗證效果之后，芮可團隊立刻著手在原有結構基礎上進行了優化。經過上百次的重新設計和上千次的取栓實驗，他們最終研發出了一種能夠直接加裝到目前臨床機械取栓導管上的旋轉裝置。結合導管本身強大的抽吸能力，這一微型裝置能在短短幾秒內將血栓壓縮至原體積的 5%，這無疑將大大提升機械取栓的速度和成功率。

旋轉取栓裝置能在短短幾秒內將血栓壓縮至原體積的 5% 視頻來源：斯坦福大學趙芮可實驗室

邁向臨床

如今，趙芮可團隊正加快推進這項技術的臨床轉化，現在已經有一家新公司在進一步優化這種裝置的結構和材質。趙芮可表示，她希望這種裝置能在未來幾年內進入臨床試驗階段。

與此同時，研究團隊也在探索這種“旋轉產生負壓”裝置的更多應用場景。例如，除了成功率低和可能造成血栓破碎，當前臨床機械取栓的另一個巨大挑戰在于，取栓導管的直徑通常在 2 毫米左右，且具有一定的剛性，這使得它們難以深入大腦深處那些更蜿蜒曲折和細小的血管。為此，趙芮可團隊也在開發一種無需導管、僅靠磁力驅動就能旋轉前進的微型取栓裝置。未來，這種技術或許能幫我們解決目前束手無策的細小血管血栓問題。

與此同時，他們也在嘗試將這套機制應用于另一類疾病——結石。目前，在用體外沖擊波或激光擊碎腎結石或輸尿管結石后，醫生除了讓患者通過尿路自然排出碎石，另一種方式是使用吸引裝置或取石籃取出碎石。然而，這些取石方式往往效率低下。而趙芮可團隊的微型旋轉裝置，則可以一次性吸取幾十顆破碎結石，大幅提升了取結石的效率。

裝置利用旋轉產生的負壓吸取破碎的結石 視頻來源：斯坦福大學趙芮可實驗室

回望這項技術誕生之初的意外發現，趙芮可坦言，真正的創新往往并不來自一開始就設定好的目標。她說：“許多研究剛發表時，看上去只是過于超前的新概念，短期內看不到用途。的確，其中很多最終未必能進入實際應用，但這并不代表它們沒有意義。這些研究會激發新的研究思路，帶來更多的靈感，而其中總有一些會真正落地、改變現實。”