Chirurgové brzy nasadí armády malých robotů k provádění mikrochirurgií v celém těle. Ačkoli se to může jevit jako sci-fi , výzkumný tým z Drexel University vyvinul mikrobotickou technologii, která je považována za důležitou misi - vrtání přes ucpané tepny.
Předsíňové plaky se vytvářejí, když se tuk, cholesterol, vápník a další látky ukládají na vnitřní stěny tepen, které nesou krev v celém těle. V průběhu času tyto tepny ztvrdnou a zužují se. Tento proces zvaný ateroskleróza omezuje schopnost krve bohaté na kyslík dosáhnout životně důležitých orgánů a zvyšuje riziko srdečního infarktu nebo mrtvice. Ačkoli příčina aterosklerózy není známa, k jejímu rozvoji přispívá kombinace návyků (jako je úroveň aktivity, kouření a strava), genetické rizikové faktory a věk. Dva konvenční chirurgické přístupy k blokovaným tepnám jsou angioplastika a bypass. Během angioplastiky nafoukne cévní chirurg malý balón uvnitř krevní cévy a vloží trubici z kovové mřížky zvané stent, která udržuje otevřené tepny a zlepšuje průtok krve. Naproti tomu bypassová operace zahrnuje přesměrování průtoku krve pomocí odblokovaných žil nebo tepen k obcházení zúžené tepny.
Tato nová inovace v nanomedicíně však má podobu malých mikrokuliček, které se spojují a vytvářejí strukturu podobnou vývrtce, která je schopna navigovat zrádné vody vaskulárního systému těla. Mikroplavci jsou vyrobeni z malých kuliček z oxidu železa, pouhých 200 nanometrů, spojených do řetězu. Tyto kuličky jsou „složeny z anorganických, biokompatibilních materiálů, které nespustí imunologickou odpověď, “ říká MinJun Kim, profesor na Vysoké škole inženýrské v Drexelu.
Pro vyvolání pohybu krevním proudem je řetěz vystaven jemně kalibrovanému vnějšímu magnetickému poli. Rotace tohoto pole způsobí, že řetěz vytvoří spirálovitou strukturu, která se pohání skrz krevní proud. Vlastnosti tohoto magnetického pole také pomáhají řídit rychlost, směr a velikost řetězce mikroplavců (ovlivňující sílu, s níž se pohybuje) na základě povahy arteriální okluze.
„Využití mikro-robotů v medicíně je opravdu zcela nová oblast, která vyžaduje silné multidisciplinární výzkumné zázemí, “ říká Kim.
Unikátní design mikroplavců byl inspirován samotnou přírodou - mikroorganismem zvaným Borrelia burgdorferi . (Drexel University) Unikátní design mikroplavců byl inspirován samotnou přírodou - mikroorganismem zvaným Borrelia burgdorferi . Spirální struktura této bakterie, která je zodpovědná za způsobení Lymeovy choroby, jí umožňuje snadno infiltrovat tělesné tekutiny a způsobit rozsáhlé poškození.
K odstranění arteriálních plaků vědci použijí katétr k dodání mikroplavců a malý cévní vrták k vyčištění uzavřené tepny. Po nasazení zahájí mikroplavci počáteční útok uvolněním tvrzeného plaku, který bude zase ukončen chirurgickým vrtáním. Po chirurgickém zákroku jsou biologicky rozložitelné kuličky navrženy tak, aby uvolňovaly antikoagulační léčiva do krevního řečiště a pomohly tak budoucímu tvorbě plaku.
"Současná léčba chronické úplné okluze je úspěšná pouze asi 60 procent, " uvedla Kim v tiskové zprávě . "Věříme, že metoda, kterou vyvíjíme, by mohla být až 80 až 90 procent úspěšná a možná zkrátit dobu zotavení."
Pro mikroplavce vědci použili asymetrické struktury tří malých kuliček oxidu železa. (Drexel University) Výzkumný tým musel překonat několik výzev při vývoji funkčních robotů v takovém mikroskopickém měřítku. "Mikroskopický svět je úplně odlišný od makroskopického světa, ve kterém všichni žijeme, " říká Kim. „Používáme setrvačnost, abychom se pohybovali v makroskopickém světě, ale na mikroskopické úrovni není setrvačnost pro pohyb užitečná.“ V důsledku toho museli vědci použít pro mikroplaváky asymetrické (nebo chirální) struktury. „Můžeme vytvořit mikrokuličky s jednoduchými a dvěma kuličkami, ale když použijeme magnetické pole, nemohou se vůbec pohybovat, protože jejich struktury jsou symetrické. Abychom vytvořili nesymetrickou strukturu, potřebovali jsme použít alespoň tři kuličky, “říká Kim.
Další překážkou, které vědci čelili, byly složité tekutinové vlastnosti krve. Na rozdíl od vody je krev označována jako nenewtonská tekutina, což znamená, že její viskozita (nebo odpor vůči proudění) tekutiny není přímo úměrná rychlosti proudění. Výsledkem bylo, že algoritmy pro kontrolu mikroplavců, které Kim a jeho tým vyvinuli, byly založeny na nelineární dynamice tekutin a byly mnohem propracovanější. "Toto nelineární ovládání znesnadňuje manipulaci s roboty v mikroskopu, " říká Kim.
Vědci Drexelu se připojili k vědeckému a technologickému institutu Daegu Gyeongbuk, aby rozšířili tuto technologii pro každodenní použití kardiovaskulárními chirurgickými týmy. Doposud byli mikroplavci testováni pouze v umělých krevních cévách. Mezinárodní výzkumné úsilí, projekt ve výši 18 milionů dolarů financovaný Korejským institutem pro hodnocení průmyslových technologií, získalo špičkové inženýry z 11 dalších institucí ve Spojených státech, Koreji a Švýcarsku. Doufají, že budou mít tuto technologii v klinických studiích na lidech do čtyř let.
Kromě použití mikroplavců jako vodovodních zařízení pro tepny vědci zkoumali i další potenciální biomedicínské aplikace, jako jsou cílenější lékové terapie a technologie zobrazování s vyšším rozlišením. „Perličky by například mohly být použity k přímému průniku do obtížně dostupných nádorových nádorových buněk, kde bude léčivo uvolňováno do cíle, čímž se maximalizuje účinnost léčiva, “ říká Kim.
Kimův zájem o nanotechnologii vyvolal film Fantastická plavba z roku 1966 a jeho remake Innerspace zaměřený na Stevena Spielberga. Oba tyto filmy zahrnují miniaturizaci člověkem řízené ponorky, která je následně vstříknuta do lidského těla při záchraně života.
"Sledoval jsem Innerspace, když jsem byl na střední škole v roce 1987. Tento film obsahuje četné koncepty mikro-robotiky a nanomedicíny, které sloužily jako inspirace jak pro mě, tak pro další vědce v této oblasti, " říká Kim. "Jsem nadšený, že jsem součástí projektu, který se podílí na realizaci této sci-fi."
