Chirurdzy wkrótce będą rozmieszczać armie małych robotów, aby wykonywać mikrochirurgie w całym ciele. Choć może się to wydawać science fiction , zespół badawczy z Drexel University opracował technologię mikro-robotyczną, która jest rozważana do ważnej misji - wiercenia przez zatkane tętnice.
Płytki przedsionkowe tworzą się, gdy tłuszcz, cholesterol, wapń i inne substancje osadzają się na wewnętrznych ściankach tętnic, które przenoszą krew w całym ciele. Z czasem tętnice te twardnieją i zwężają się. Ten proces zwany miażdżycą tętnic ogranicza zdolność krwi bogatej w tlen do docierania do ważnych narządów i zwiększa ryzyko zawału serca lub udaru mózgu. Chociaż przyczyna miażdżycy nie jest znana, do jej rozwoju przyczynia się połączenie nawyków (takich jak poziom aktywności, palenie i dieta), genetyczne czynniki ryzyka i wiek. Dwa konwencjonalne podejścia chirurgiczne do zablokowanych tętnic to angioplastyka i operacja obejścia. Podczas angioplastyki chirurg naczyniowy napełnia mały balonik wewnątrz naczynia krwionośnego i wkłada rurkę z metalowej siatki zwaną stentem, aby utrzymać otwarte tętnice i poprawić przepływ krwi. Natomiast operacja obejścia polega na zmianie trasy przepływu krwi za pomocą odblokowanych żył lub tętnic w celu ominięcia zwężonej tętnicy.
Ta nowa innowacja w nanomedycynie przyjmuje jednak postać małych mikrokuleczek, które łączą się, tworząc strukturę przypominającą korkociąg zdolną do poruszania się po zdradliwych wodach układu naczyniowego organizmu. Mikro-pływaki składają się z drobnych koralików z tlenku żelaza o wielkości zaledwie 200 nanometrów, połączonych ze sobą w łańcuch. Te kulki są „złożone z nieorganicznych, biokompatybilnych materiałów, które nie wywołają odpowiedzi immunologicznej”, mówi MinJun Kim, profesor w Drexel University of Engineering.
Aby wywołać ruch przez strumień krwi, łańcuch jest poddawany drobno skalibrowanemu zewnętrznemu polu magnetycznemu. Obrót tego pola powoduje, że łańcuch tworzy wirującą strukturę spiralną, która napędza się przez strumień krwi. Właściwości tego pola magnetycznego pomagają również kontrolować prędkość, kierunek i rozmiar łańcucha mikropływania (wpływającego na siłę, z którą się porusza) w oparciu o naturę niedrożności tętnic.
„Zastosowanie mikro-robotów w medycynie jest naprawdę nową dziedziną, która wymaga silnego, wielodyscyplinarnego zaplecza badawczego”, mówi Kim.
Unikalny projekt mikro-pływaka został zainspirowany samą przyrodą - mikroorganizmem o nazwie Borrelia burgdorferi . (Uniwersytet Drexel) Unikalny projekt mikro-pływaka został zainspirowany samą przyrodą - mikroorganizmem o nazwie Borrelia burgdorferi . Spiralna struktura tej bakterii, która jest odpowiedzialna za wywoływanie boreliozy, pozwala jej łatwo infiltrować płyny ustrojowe i powodować rozległe uszkodzenia.
Aby usunąć płytki tętnicze, naukowcy użyją cewnika do dostarczenia mikro-pływaków i małego wiertła naczyniowego do usunięcia niedrożnej tętnicy. Po rozmieszczeniu mikro-pływacy rozpoczną początkowy atak rozluźniając stwardniałą płytkę, która z kolei zostanie zakończona przez wiertło chirurgiczne. Po zabiegu biodegradowalne kulki są zaprojektowane w celu uwalniania leków przeciwzakrzepowych do krwiobiegu, aby pomóc w utrudnieniu przyszłego gromadzenia się płytki nazębnej.
„Obecne metody leczenia przewlekłej całkowitej okluzji są udane tylko w około 60 procentach”, powiedziała Kim w komunikacie prasowym . „Uważamy, że opracowywana przez nas metoda może być skuteczna nawet w 80–90 procentach i może skrócić czas powrotu do zdrowia”.
W przypadku mikro-pływaków naukowcy wykorzystali asymetryczne struktury trzech małych perełek tlenku żelaza. (Uniwersytet Drexel) Zespół badawczy musiał pokonać kilka wyzwań, aby opracować roboty funkcjonalne w tak mikroskopijnej skali. „Mikroskopijny świat jest zupełnie inny niż makroskopowy świat, w którym wszyscy żyjemy” - mówi Kim. „Używamy bezwładności do poruszania się w makroskopowym świecie, ale na poziomie mikroskopowym bezwładność nie jest przydatna do poruszania się”. W rezultacie naukowcy musieli zastosować asymetryczne (lub chiralne) struktury dla mikro-pływaków. „Możemy tworzyć mikropływy jedno- i dwupłyskowe, ale kiedy przykładamy pole magnetyczne, nie mogą się one wcale poruszać, ponieważ ich struktury są symetryczne. Aby więc stworzyć niesymetryczną strukturę, musieliśmy użyć co najmniej trzech perełek ”- mówi Kim.
Kolejną przeszkodą, przed którą stanęli naukowcy, były złożone właściwości płynów krwi. W przeciwieństwie do wody, krew jest nazywana płynem nienewtonowskim, co oznacza, że jej lepkość (lub opór przepływu) płynu nie jest wprost proporcjonalna do prędkości, z jaką płynie. W rezultacie algorytmy kontroli mikro-pływaków opracowane przez Kim i jego zespół były oparte na nieliniowej dynamice płynów i były znacznie bardziej rozbudowane. „Ta nieliniowa kontrola znacznie utrudnia manipulowanie robotami w mikroskali”, mówi Kim.
Naukowcy Drexel dołączyli do Instytutu Nauki i Technologii Daegu Gyeongbuk, aby rozszerzyć tę technologię do codziennego użytku przez zespoły chirurgów sercowo-naczyniowych. Do tej pory mikro-pływacy byli testowani tylko w sztucznych naczyniach krwionośnych. Międzynarodowy projekt badawczy, wart 18 milionów dolarów projekt finansowany przez Koreański Instytut Technologii Przemysłowej, zrekrutował najlepszych inżynierów z 11 innych instytucji w Stanach Zjednoczonych, Korei i Szwajcarii. Mają nadzieję, że technologia ta zostanie wykorzystana w badaniach klinicznych u ludzi w ciągu czterech lat.
Oprócz zastosowania mikro-pływaków jako urządzeń hydraulicznych w tętnicach, naukowcy badali inne potencjalne zastosowania biomedyczne, takie jak bardziej ukierunkowane terapie farmakologiczne i technologia obrazowania w wyższej rozdzielczości. „Na przykład perełki można wykorzystać do bezpośredniej penetracji trudno dostępnych komórek nowotworowych, gdzie lek zostanie uwolniony do celu, maksymalizując w ten sposób skuteczność leku” - mówi Kim.
Zainteresowanie Kima w dziedzinie nanotechnologii wywołał fantastyczny film science fiction z 1966 roku i jego remake Innerspace wyreżyserowany przez Stevena Spielberga. Oba filmy dotyczą miniaturyzacji sterowanej przez człowieka łodzi podwodnej, którą następnie wstrzykuje się do ludzkiego ciała w celu ratowania życia.
„Oglądałem Innerspace, gdy byłem w liceum w 1987 roku. Film zawiera liczne koncepcje mikro-robotyki i nanomedycyny, które były inspiracją zarówno dla mnie, jak i dla innych badaczy w tej dziedzinie” - mówi Kim. „Jestem podekscytowany, że biorę udział w projekcie, który ma na celu urzeczywistnienie tej fantastyki naukowej”.
