Kirurger vil snart indsætte hære af bittesmå robotter for at udføre mikrosurger i hele kroppen. Selvom dette kan virke som science fiction , har et forskerteam fra Drexel University udviklet en mikro-robot-teknologi, der betragtes som en vigtig mission - boring gennem tilstoppede arterier.
Atriale plaques dannes, når fedt, kolesterol, calcium og andre stoffer aflejres på de indre vægge af arterierne, som fører blod gennem kroppen. Over tid hærdes og smalle disse arterier. Denne proces kaldet åreforkalkning begrænser iltrigt blods evne til at nå vitale organer og øger risikoen for hjerteanfald eller slagtilfælde. Selvom årsagen til åreforkalkning er ukendt, bidrager en kombination af vaner (såsom aktivitetsniveau, rygning og diæt), genetiske risikofaktorer og alder til dens udvikling. To konventionelle kirurgiske fremgangsmåder til blokerede arterier er angioplastik og bypass-kirurgi. Under en angioplastik blæser en vaskulær kirurg en lille ballon inde i blodkaret og indsætter et metalnetrør kaldet en stent for at holde arterierne åbne og forbedre blodgennemstrømningen. I modsætning hertil involverer en bypass-kirurgi omdirigering af blodstrømmen ved hjælp af ikke-blokerede vener eller arterier til at omgå den indsnævrede arterie.
Denne nye innovation inden for nanomedicin tager imidlertid form af små mikroperler, der går sammen for at danne en korkeskruelignende struktur, der er i stand til at navigere i det forræderiske vand i kroppens vaskulære system. Mikro-svømmere består af små jernoxidperler helt ned til 200 nanometer, der er samlet i en kæde. Disse perler er "sammensat af uorganiske, biokompatible materialer, der ikke vil udløse en immunologisk respons, " siger MinJun Kim, professor ved Drexel University's College of Engineering.
For at inducere bevægelse gennem blodstrømmen udsættes kæden for et fint kalibreret eksternt magnetfelt. Rotationen af dette felt får kæden til at danne en spindelformet spiralstruktur, der fremdrager sig gennem blodstrømmen. Egenskaberne ved dette magnetfelt hjælper også med at kontrollere hastigheden, retningen og størrelsen af mikrosvømmerkæden (påvirker kraften, hvormed det bevæger sig) baseret på arten af arteriel okklusion.
”Brug af mikro-robotter i medicin er virkelig et helt nyt felt, som kræver en stærk tværfaglig forskningsbaggrund, ” siger Kim.
Det unikke design til mikrosvømmeren blev inspireret af selve naturen - en mikroorganisme kaldet Borrelia burgdorferi . (Drexel University) Det unikke design til mikrosvømmeren blev inspireret af selve naturen - en mikroorganisme kaldet Borrelia burgdorferi . Spiralstrukturen af denne bakterie, der er ansvarlig for at forårsage Lyme-sygdom, giver den mulighed for let at infiltrere kropsvæsker og forårsage udbredt skade.
For at fjerne arterielle plaques vil forskerne bruge et kateter til at levere mikro-svømmere og en lille vaskulær bor for at rydde den okkluderede arterie. Ved udstationering vil mikrosvømmerne starte det første angreb, der løsner den hærdede plak, som igen vil blive afsluttet med den kirurgiske bor. Efter operationen er de biologisk nedbrydelige perler designet til at frigive antikoagulerende stoffer i blodbanen for at hjælpe med at dæmpe fremtidig opbygning af plak.
”Aktuelle behandlinger for kronisk total okklusion er kun ca. 60 procent succesrige, ” sagde Kim i en pressemeddelelse . ”Vi mener, at den metode, vi udvikler, kunne være så høj som 80 til 90 procent vellykket og muligvis forkorte gendannelsestiden.”
For mikrosvømmere brugte forskerne asymmetriske strukturer af tre små jernoxidperler. (Drexel University) Forskerteamet måtte overvinde flere udfordringer med at udvikle funktionelle robotter i en sådan mikroskopisk skala. ”Den mikroskopiske verden er helt anderledes end den makroskopiske verden, som vi alle lever i, ” siger Kim. ”Vi bruger inerti til at bevæge os rundt i den makroskopiske verden, men på mikroskopisk niveau er inerti ikke nyttigt til bevægelse.” Som et resultat var forskerne nødt til at bruge asymmetriske (eller chirale) strukturer til mikrosvømmerne. ”Vi kan oprette en-perle- og to-perles mikrosvømmere, men når vi anvender magnetfeltet, kan de slet ikke bevæge sig, fordi deres strukturer er symmetriske. Så for at skabe en ikke-symmetrisk struktur havde vi brug for mindst tre perler, ”siger Kim.
En anden hindring, som forskerne stod overfor, var de komplekse væskegenskaber i blodet. I modsætning til vand omtales blod som en ikke-Newtonsk væske, hvilket betyder, at dens viskositet (eller modstand mod strømning) af væsken ikke er direkte proportional med den hastighed, hvormed den strømmer. Som et resultat var algoritmerne til styring af mikrosvømmere, som Kim og hans team udviklede, baseret på ikke-lineær væskedynamik og var meget mere detaljerede. ”Denne ikke-lineære kontrol gør det meget vanskeligere at manipulere robotter ved mikroskala, ” siger Kim.
Drexel-forskerne har tilsluttet sig Daegu Gyeongbuk Institut for Videnskab og Teknologi for at udvide denne teknologi til daglig brug af kardiovaskulære kirurgiske teams. Indtil videre er mikrosvømmere kun blevet testet i kunstige blodkar. Den internationale forskningsindsats, et $ 18 millioner projekt, der er finansieret af Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, har rekrutteret topingeniører fra 11 andre institutioner i USA, Korea og Schweiz. De håber at have teknologien i kliniske forsøg på mennesker inden for fire år.
Ud over brugen af mikrosvømmere som VVS-apparater til arterierne har forskerne undersøgt andre potentielle biomedicinske anvendelser, såsom mere målrettede lægemiddelterapier og billedteknologi med højere opløsning. ”For eksempel kunne perlerne bruges til at trænge direkte ind i kræfttumorceller, der er vanskelige at nå, hvor lægemidlet frigøres i målet og derved maksimere lægemiddeleffektiviteten, ” siger Kim.
Kims interesse for nanoteknologien blev udløst af science fiction-filmen Fantastic Voyage fra 1966 og dens Steven Spielberg-instruerede remake Innerspace . Begge disse film involverer miniaturisering af en human-piloteret ubåd, som derefter injiceres i den menneskelige krop på en livreddende mission.
”Jeg så Innerspace, da jeg var på gymnasiet i 1987. Filmen indeholder adskillige begreber af mikro-robotik og nanomedicin, der har fungeret som en inspiration for både mig selv og andre forskere på dette område, ” siger Kim. ”Jeg er begejstret over at være en del af et projekt, der er involveret i at bringe denne science fiction til virkelighed.”
