Într-o seară strălucitoare de toamnă din 2006, Dr. Sylvain Martel și-a ținut respirația în timp ce un tehnician încărca un porc anestezic într-un aparat rotativ fMRI. Ochii lui priveau un ecran de computer care arăta o margele magnetică agățată într-un vas de sânge subțire de porc. Tensiunea din cameră se putea simți fizic. Deodată balonul a prins viață și a alunecat peste vas ca un submarin microscopic care se îndrepta spre destinația sa. Echipa a izbucnit în aplauze.
Martel și echipa sa testau un nou mod de a controla de la distanță obiecte mici din interiorul unui animal viu, manipulând forțele magnetice ale mașinii. Și pentru prima dată a funcționat.
Oamenii de știință și scriitorii au visat de mult timp mici roboți care se mișcă prin vastul sistem circulator al corpului, precum exploratorii spațiali care studiază galaxiile și locuitorii lor. Potențialul este imens: mici roboți medicali ar putea, de exemplu, să transfere medicamente radioactive în grupuri de cancer, să efectueze intervenții chirurgicale în interiorul corpului sau să curețe cheagurile de sânge adânc în interiorul inimii sau creierului.
Un vis, un vis, dar cu ajutorul roboților, spune dr. Bradley Nelson de la Universitatea Politehnică din Zurich, oamenii s-ar putea arunca direct în sânge pentru a efectua o intervenție chirurgicală pe creier.
În acest moment, micro-roboții medicali sunt în mare parte fictivi, dar acest lucru se poate schimba în următorul deceniu. În această săptămână, Dr. Mariana Medina-Sánchez și Oliver Schmidt de la Institutul Leibniz pentru Cercetarea Solidelor și Materialelor din Dresda, Germania, au publicat o lucrare în Nature care s-a transformat de la ecrane mari la laboratoare de nanoinginerie, prezentând priorități și teste realiste pentru a revigora acești mici chirurgi.
Crearea de mutori
Microboții medicali fac parte din călătoria medicinii în miniaturizare. În 2001, compania israeliană a introdus PillCam, o capsulă de plastic de mărimea bomboanelor echipată cu o cameră, baterie și modul wireless. În timp ce călătorea prin canalul digestiv, PillCam trimitea periodic imagini fără fir, oferind o metodă de diagnostic mai sensibilă și mai puțin toxică decât endoscopia tradițională sau radiografia.
Video promotional:
PillCam este gigant pentru un microrobot perfect, făcându-l potrivit doar pentru tubul relativ larg al sistemului nostru digestiv. Această pastilă era, de asemenea, pasivă și nu putea rămâne în locuri interesante pentru o examinare mai detaliată.
„Un adevărat robot medical trebuie să se miște și să progreseze printr-o rețea complexă de tuburi umplute cu lichid adânc în corp”, explică Martel.
Din păcate, corpul nu este foarte primitor pentru oaspeții din afară. Micro-roboții trebuie să reziste sucurilor gastrice corozive și să plutească în amonte în fluxul sanguin fără motor.
Laboratoarele din întreaga lume încearcă să vină cu alternative sensibile pentru a rezolva problema nutrițională. O idee este de a crea rachete chimice: micro-roboți cilindrici cu „combustibil” - un metal sau alt catalizator - care reacționează cu sucurile de stomac sau alte fluide, emitând bule din spatele cilindrului.
„Aceste motoare sunt greu de controlat”, spun Medina-Sanchez și Schmidt. Putem controla aproximativ direcția lor folosind gradienți chimici, dar nu sunt suficient de robuste sau eficiente. Proiectarea combustibililor netoxici pe bază de zahăr, uree sau alte fluide corporale se confruntă, de asemenea, cu provocări.
O alternativă mai bună ar fi motoarele fizice metalice care ar putea fi activate prin schimbări în câmpul magnetic. Martel, așa cum a demonstrat demonstrația sa de mărgele, a fost unul dintre primii care au investigat astfel de motoare.
Aparatul RMN este ideal pentru controlul și imagistica microroboturilor prototipurilor metalice, explică Martel. Mașina are mai multe seturi de bobine magnetice: setul principal magnetizează microrobotul după ce este introdus în fluxul sanguin printr-un cateter. Apoi, prin manipularea bobinelor gradientului RMN, putem genera câmpuri magnetice slabe pentru a împinge microrobotul prin vasele de sânge sau alte tuburi biologice.
În experimentele ulterioare, Martel a realizat nanoparticule de fier și cobalt acoperite cu un medicament anticancer și i-a injectat pe acești mici soldați în iepuri. Folosind un program de computer pentru a schimba automat câmpul magnetic, echipa sa a ghidat roboții chiar pe țintă. Deși nu au existat tumori reale în acest studiu, Martel spune că astfel de proiecte ar putea fi utile în combaterea cancerului de ficat și a altor tumori cu vase relativ mari.
De ce nu vasele mici? Problema este din nou energia. Martel a reușit să micșoreze robotul la câteva sute de micrometri - orice lucru mai puțin necesită gradienți magnetici atât de mari încât să perturbe neuronii din creier.
Microborgs
O soluție mai elegantă este utilizarea motoarelor biologice care există deja în natură. Bacteriile și sperma sunt înarmați cu cozi de bici care le propulsează în mod natural prin tuneluri înfășurate și cavități ale corpului pentru a efectua reacții biologice.
Prin combinarea părților mecanice cu părțile biologice, s-ar putea face ca aceste două componente să se completeze reciproc atunci când unul nu reușește.
Un exemplu este un bot spermă. Schmidt a proiectat mici bobine metalice care înfășoară sperma leneșă, oferindu-i mobilitatea pentru a ajunge la ou. Spermatozoizii pot fi încărcați și cu medicamente asociate cu microstructura magnetică pentru tratarea cancerului în tractul reproductiv.
Există, de asemenea, grupuri specializate de bacterii MC-1 care se aliniază cu câmpul magnetic al pământului. Prin generarea unui câmp relativ slab - suficient pentru a învinge Pământul - oamenii de știință pot orienta busola internă a bacteriei către o nouă țintă precum cancerul.
Din păcate, bacteriile MC-1 pot supraviețui numai în sânge cald timp de 40 de minute și majoritatea nu sunt suficient de puternice pentru a înota împotriva fluxului sanguin. Martel vrea să creeze un sistem hibrid de bacterii și vezici de grăsime. Bulele, încărcate cu particule magnetice și bacterii, vor fi direcționate în vase mai mari folosind câmpuri magnetice puternice până când intră în cele mai înguste. Apoi izbucnesc și eliberează un roi de bacterii, care, în același mod, folosind câmpuri magnetice slabe, își vor completa călătoria.
A merge inainte
În timp ce oamenii de știință au schițat o grămadă de idei despre propulsie, urmărirea microrobotilor odată ce au fost implantate în corp rămâne o provocare imensă.
Combinațiile diferitelor tehnici imagistice vă pot ajuta. Ecografia, RMN-ul și imagistica în infraroșu sunt prea lente pentru a observa operațiunile microrobotaților adânci în corp. Dar, combinând lumina, sunetul și undele electromagnetice, am putea crește rezoluția și sensibilitatea.
În mod ideal, o tehnică de imagistică ar trebui să poată urmări micromotoarele la o adâncime de 10 centimetri sub piele, în 3D și în timp real, deplasându-se la o viteză minimă de zeci de micrometri pe secundă, spun Medina-Sanchez și Schmidt.
În acest moment, acest lucru este dificil de realizat, dar oamenii de știință speră că tehnicile optoacustice de ultimă generație, care combină imagini cu infraroșu și ultrasunete, pot deveni suficient de bune pentru a urmări microrobotii în câțiva ani.
Și apoi rămâne întrebarea, ce să facem cu roboții la sfârșitul misiunii lor. A le lăsa să plutească în interiorul corpului înseamnă a permite formarea de cheaguri sau alte efecte secundare catastrofale, cum ar fi otrăvirea metalelor. Aducerea roboților înapoi la punctul lor de plecare (gură, ochi și alte deschideri naturale) poate fi copleșitoare. Prin urmare, oamenii de știință iau în considerare opțiuni mai bune: eliminarea roboților într-un mod natural sau crearea lor din materiale biodegradabile.
Acesta din urmă are un plus separat: dacă materialele sunt sensibile la căldură, aciditate sau alți factori corporali, acestea ar putea fi utilizate pentru a crea bioroboți autonomi care funcționează fără baterii. De exemplu, oamenii de știință au realizat deja mici „agrafe” în formă de stea care se închid în jurul țesuturilor atunci când sunt expuse la căldură. Atunci când este plasat în jurul organelor sau țesuturilor afectate, graffle-ul ar putea face biopsie in situ, oferind o metodă mai puțin invazivă pentru screeningul cancerului de colon sau urmărirea bolii cronice inflamatorii intestinale.
"Scopul este de a crea microroboti care să poată simți, diagnostica și acționa autonom în timp ce oamenii urmăresc și rămân sub control în cazul unei defecțiuni", au spus Medina-Sanchez și Schmidt.
Călătoria fantastică a micro-roboților medicali abia începe.
Toate combinațiile de materiale, microorganisme și microstructuri vor trebui testate la nesfârșit pentru a se asigura că sunt sigure, mai întâi pe animale și apoi pe oameni. Oamenii de știință așteaptă și asistența autorităților de reglementare.
Dar optimismul oamenilor de știință nu se usucă.
„Prin inițiative coordonate, microrobotii ne-ar putea conduce în era terapiilor neinvazive timp de zece ani”, spun cercetătorii.
ILYA KHEL
