A sebészek hamarosan apró robotok seregeit telepítik, hogy a test egészében mikrosebészeti műveleteket hajtsanak végre. Noha ez tudományos fantasztikusnak tűnhet , a Drexeli Egyetem kutatócsoportja kifejlesztett egy mikro-robottechnikát, amelyet fontolóra vesz egy fontos küldetés szempontjából - az eldugult artériákban történő fúrást.
A pitvari plakkok akkor alakulnak ki, amikor zsír, koleszterin, kalcium és más anyagok lerakódnak az artériák belső falaira, amelyek vért szállítanak a test egész területén. Idővel ezek az artériák megkeményednek és keskenyednek. Ez az ateroszklerózisnak nevezett folyamat korlátozza az oxigénben gazdag vér azon képességét, hogy elérje a létfontosságú szerveket, és növeli a szívroham vagy a stroke kockázatát. Noha az atherosclerosis oka ismeretlen, a szokások (például aktivitás, dohányzás és étkezés), a genetikai kockázati tényezők és az életkor kombinációja hozzájárul annak kialakulásához. A blokkolt artériák két hagyományos műtéti megközelítése az angioplasztika és a bypass műtét. Az angioplasztika során az érrendszer sebzője felfúj egy kis ballont az erek belsejében, és behelyezi egy fém hálócsövet, amelyet stentnek hívnak, hogy az artériákat nyitva tartsa és javítsa a véráramot. Ezzel szemben egy bypass műtét magában foglalja a véráramlás átirányítását a nem szétválasztott erek vagy artériák használatával a szűkített artéria megkerülésére.
A nanomedicinában ez az újítás azonban apró mikrogömbök formájában valósul meg, amelyek összekapcsolnak egy dugóhúzó-szerű struktúrát, amely képes navigálni a test érrendszerének áruló vízében. A mikro-úszók apró, 200 nanométer méretű vas-oxid-gyöngyökből állnak, lánccal összekapcsolva. Ezek a gyöngyök „szervetlen, biokompatibilis anyagokból állnak, amelyek nem váltanak ki immunológiai választ” - mondja MinJun Kim, a Drexel Egyetem Műszaki Főiskola professzora.
A véráramon keresztüli mozgás indukálásához a láncot finoman kalibrált külső mágneses mezőnek teszik ki. Ennek a mezőnek a forgatása miatt a lánc olyan spirális spirális struktúrát képez, amely a véráramon keresztül hajtja magát. Ennek a mágneses mezőnek a tulajdonságai segítenek az artériás elzáródás jellege alapján a mikro-úszó lánca sebességének, irányának és méretének (az erő befolyásolásának) szabályozásában is.
"A mikrorobotok használata az orvostudományban valóban vadonatúj terület, amelyhez erős multidiszciplináris kutatási háttér szükséges" - mondja Kim.
A mikro-úszó egyedi kialakítását maga a természet ihlette - a Borrelia burgdorferi nevű mikroorganizmus. (Drexel Egyetem) A mikro-úszó egyedi kialakítását maga a természet ihlette - a Borrelia burgdorferi nevű mikroorganizmus. Ennek a baktériumnak a spirális felépítése, amely felelős a Lyme-kór kiváltásáért, lehetővé teszi a testfolyadékok egyszerű beszivárgását és széles körű károsodást okozhat.
Az artériás plakkok eltávolítása érdekében a tudósok katétert használnak a mikro-úszók bejuttatására és egy apró érrendszeri fúrót az elzáródott artéria eltávolítására. Kiküldéskor a mikro úszók elindítják a kezdeti támadást, hogy meglazuljanak a megkeményedett plakk, amelyet viszont a műtéti fúró befejez. A műtét után a biológiailag lebontható gyöngyöket úgy tervezték, hogy antikoaguláns gyógyszereket engedjenek a véráramba, hogy elősegítsék a stymie jövőbeli plakkjának felépülését.
"A krónikus teljes elzáródás jelenlegi kezelése csak körülbelül 60 százalékkal sikeres" - mondta Kim egy sajtóközleményben . "Úgy gondoljuk, hogy az általunk kifejlesztett módszer akár 80-90 százalékig is sikeres lehet és lerövidítheti a helyreállítási időt."
A mikro-úszók számára a kutatók három apró vas-oxid gyöngy aszimmetrikus szerkezetét alkalmazták. (Drexel Egyetem) A kutatócsoportnak számos kihívást kellett leküzdenie ahhoz, hogy ilyen mikroszkopikus méretű funkcionális robotokat kifejlesszen. "A mikroszkopikus világ teljesen más, mint a makroszkopikus világ, amelyben mindannyian élünk" - mondja Kim. „Tehetetlenséget használunk a makroszkopikus világban való mozgáshoz, de mikroszkopikus szinten a tehetetlenség nem használható a mozgáshoz.” Ennek eredményeként a tudósoknak aszimmetrikus (vagy királis) struktúrákat kellett használniuk a mikro úszók számára. Készíthetünk egy- és kétgyöngyös mikroúszókat, de amikor alkalmazzuk a mágneses teret, egyáltalán nem tudnak mozogni, mert szerkezetük szimmetrikus. Tehát egy nem szimmetrikus struktúra létrehozásához legalább három gyöngyöt kellett használni ”- mondja Kim.
A kutatók egy másik akadálya a vér komplex folyadék tulajdonságai volt. A vízzel ellentétben a vért nem Newtoni folyadéknak nevezik, vagyis annak viszkozitása (vagy áramlási ellenállása) nem egyenesen arányos azzal a sebességgel, amellyel folyik. Ennek eredményeként Kim és csapata által kidolgozott mikro úszók vezérlésére szolgáló algoritmusok nemlineáris folyadékdinamikán alapultak, és sokkal részletesebbek voltak. "Ez a nemlineáris vezérlés sokkal nehezebbé teszi a robotok manipulálását a mikroméreteken" - mondja Kim.
A Drexel tudósai csatlakoztak a Daegu Gyeongbuk Tudományos és Technológiai Intézethez, hogy kibővítsék ezt a technológiát a kardiovaszkuláris műtéti csoportok mindennapi használatához. Mindeddig a mikro úszót csak mesterséges erekben tesztelték. A nemzetközi kutatási erőfeszítés, egy 18 millió dolláros projekt, amelyet az Ipari Technológia Koreai Értékelő Intézete finanszírozott, az Egyesült Államok, Korea és Svájc 11 másik intézményének felső mérnökeit toborozta. Reméljük, hogy négy éven belül megkapják a technológiát az emberi klinikai vizsgálatokban.
A mikro-úszók artériák vízvezeték-eszközként történő felhasználása mellett a kutatók más lehetséges orvosbiológiai alkalmazásokat is vizsgáltak, például célzottabb gyógyszeres kezeléseket és nagyobb felbontású képalkotó technológiákat. "Például a gyöngyök felhasználhatók közvetlenül a nehezen elérhető rákos tumorsejtekbe való közvetlen behatolásra, ahol a gyógyszer a célba kerül, így maximalizálva a gyógyszer hatékonyságát" - mondja Kim.
Kim érdeklődését a nanotechnológia iránt az 1966-os sci-fi film, a Fantastic Voyage és annak Steven Spielberg rendezte, az Innerspace című film váltotta fel. Mindkét film egy emberi pilóta alatt álló tengeralattjáró miniatürizálását foglalja magában, amelyet később életmentő küldetés közben injektálnak az emberi testbe.
"1987-ben a középiskolában néztem az Innerspace- t. A film számos mikro-robotika és nanomedicina koncepciót tartalmaz, amelyek inspirációt jelentettek mind én, mind más kutatók számára ezen a területen" - mondja Kim. "Nagyon izgatott vagyok, hogy részt vehetek egy olyan projektben, amely részt vesz ezen tudományos fantasztikus valóság megvalósításában."
