Kirurgi bodo kmalu napotili armado drobnih robotov, ki bodo izvajali mikrokirurške operacije po telesu. Čeprav se to morda zdi znanstvena fantastika , je raziskovalna skupina z univerze Drexel razvila tehnologijo mikro robotizacije, ki velja za pomembno misijo - vrtanje skozi zamašene arterije.
Atrijski plaki nastanejo, ko se maščoba, holesterol, kalcij in druge snovi odložijo na notranjih stenah arterij, ki prenašajo kri po telesu. Sčasoma se te arterije strdijo in zožijo. Ta proces, imenovan ateroskleroza, omejuje sposobnost krvi, bogate s kisikom, da doseže vitalne organe in poveča tveganje za srčni infarkt ali možgansko kap. Čeprav vzrok ateroskleroze ni znan, kombinacija navad (kot so raven aktivnosti, kajenje in prehrana), genetskih dejavnikov tveganja in starosti prispevajo k njenemu razvoju. Dva običajna kirurška pristopa za blokirane arterije sta angioplastika in bypass operacija. Med angioplastiko vaskularni kirurg napihne majhen balon znotraj krvne žile in vstavi kovinsko mrežno cev, imenovano stent, da zadrži arterije odprte in izboljša pretok krvi. Nasprotno pa obvodna operacija vključuje preusmeritev krvnega pretoka z uporabo neblokiranih žil ali arterij, da zaobide zoženo arterijo.
Ta nova novost v nanomedicini pa ima obliko majhnih mikroprostorcev, ki se združijo in tvorijo strukturo v obliki plutovine, ki je sposobna krmariti po izdajalskih vodah telesnega ožilja. Mikroplavci so sestavljeni iz drobnih kroglic železovega oksida, majhnih 200 nanometrov, povezanih v verigo. Te kroglice so "sestavljene iz anorganskih, biokompatibilnih materialov, ki ne bodo sprožile imunološkega odziva, " pravi MinJun Kim, profesor na inženirski fakulteti univerze Drexel.
Da bi inducirali gibanje skozi krvni tok, je veriga izpostavljena fino umerjenemu zunanjemu magnetnemu polju. Z vrtenjem tega polja veriga tvori vrtečo se spiralno strukturo, ki se poganja skozi krvni tok. Lastnosti tega magnetnega polja pomagajo tudi pri nadzoru hitrosti, smeri in velikosti verige mikroplavalcev (kar vpliva na silo, s katero se giblje) glede na naravo okluzije arterije.
"Uporaba mikro robotov v medicini je res povsem novo področje, ki zahteva močno multidisciplinarno raziskovanje, " pravi Kim.
Edinstven dizajn mikroplavalca je navdihnila sama narava - mikroorganizem z imenom Borrelia burgdorferi . (Univerza Drexel) Edinstven dizajn mikroplavalca je navdihnila sama narava - mikroorganizem z imenom Borrelia burgdorferi . Spiralna struktura te bakterije, ki je odgovorna za povzročitev lajmske bolezni, ji omogoča, da zlahka vdre v telesne tekočine in povzroči široko škodo.
Za odstranitev arterijskih plakov bodo znanstveniki uporabili kateter za dostavo mikroplavalcev in droben žilni vrtalnik za čiščenje okluzirane arterije. Po namestitvi bodo mikroplavalci sprožili začetni napad, s čimer bodo utrdili utrjeno ploščo, ki jo bo končal kirurški vaja. Po operaciji so biorazgradljive kroglice zasnovane tako, da v krvni obtok sproščajo antikoagulacijska zdravila in tako pomagajo pri oblikovanju prihodnjih ploščic.
"Trenutni načini zdravljenja kronične popolne okluzije so uspešni le približno 60 odstotkov, " je dejal Kim v sporočilu za javnost . "Verjamemo, da bi lahko bila metoda, ki jo razvijamo, uspešna od 80 do 90 odstotkov in bi lahko skrajšala čas okrevanja."
Za mikroplavalce so raziskovalci uporabili asimetrične strukture treh drobnih kroglic železovega oksida. (Univerza Drexel) Raziskovalna skupina je morala premagati več izzivov za razvoj funkcionalnih robotov v takem mikroskopskem merilu. "Mikroskopski svet je popolnoma drugačen od makroskopskega sveta, v katerem vsi živimo, " pravi Kim. "Inercija se uporablja za gibanje po makroskopskem svetu, vendar na mikroskopski ravni inercija ni uporabna za gibanje." Znanstveniki so morali zato uporabiti asimetrične (ali kiralne) strukture za mikroplavalce. "Lahko ustvarimo mikroplavalce z eno in dvema kroglicama, vendar, ko uporabimo magnetno polje, se sploh ne morejo premikati, ker so njihove strukture simetrične. Da bi ustvarili nesimetrično strukturo, smo morali uporabiti vsaj tri kroglice, «pravi Kim.
Druga ovira, s katero so se raziskovalci spopadali, so bile zapletene lastnosti tekočine v krvi. Za razliko od vode se kri omenja kot ne-newtonska tekočina, kar pomeni, da njena viskoznost (ali odpornost proti toku) tekočine ni neposredno sorazmerna s hitrostjo, s katero teče. Kot rezultat tega so algoritmi za nadzor mikroplavalcev, ki sta jih razvila Kim in njegova ekipa, temeljili na nelinearni dinamiki tekočin in so bili veliko bolj izpopolnjeni. "Ta nelinearni nadzor mnogo otežuje manipulacijo z roboti na mikroskopi, " pravi Kim.
Znanstveniki iz Drexela so se pridružili Daegu Gyeongbuk inštitutu za znanost in tehnologijo, da bi to tehnologijo razširili za vsakodnevno uporabo kardiovaskularnih kirurških timov. Doslej so mikroplavalce testirali le v umetnih krvnih žilah. Mednarodno raziskovalno prizadevanje, 18 milijonov dolarjev vreden projekt, ki ga je financiral Korejski inštitut za industrijsko tehnologijo, je zaposlilo vrhunske inženirje iz 11 drugih ustanov v ZDA, Koreji in Švici. Upajo, da bodo tehnologijo imeli v kliničnih preskušanjih na ljudeh v štirih letih.
Poleg uporabe mikroplavalcev kot vodovodnih naprav za arterije so raziskovalci preiskovali tudi druge potencialne biomedicinske aplikacije, na primer bolj usmerjeno zdravljenje z zdravili in tehnologijo slikanja z večjo ločljivostjo. "Na primer, kroglice lahko uporabimo za prodor neposredno v težko dosegljive rakave celice raka, kjer se bo zdravilo sprostilo v tarčo in tako povečalo učinkovitost zdravil, " pravi Kim.
Zanimanje Kima za področje nanotehnologije je sprožilo znanstvenofantastični film iz leta 1966 Fantastic Voyage in njegov remake Innerspace, ki ga je usmeril Steven Spielberg. Oba filma vključujeta miniaturizacijo človeške pilotske podmornice, ki jo nato v misijo za reševanje vbrizga v človeško telo.
"Opazoval sem Innerspace, ko sem bil v srednji šoli leta 1987. Film vsebuje številne koncepte mikro-robotike in nanomedicine, ki so bili navdih tako meni kot drugim raziskovalcem na tem področju, " pravi Kim. "Navdušen sem, da sem del projekta, ki vključuje znanstveno fantastiko v resničnost."
