Kirurzi će uskoro rasporediti vojsku sićušnih robota kako bi izvodili mikrokirurške operacije po tijelu. Iako se ovo može činiti znanstvenom fantastikom , istraživački tim sa Sveučilišta Drexel razvio je mikro-robotsku tehnologiju koja se smatra važnom misijom - bušenje kroz začepljene arterije.
Atrijalni plakovi nastaju kada se masnoća, kolesterol, kalcij i druge tvari talože na unutarnjim zidovima arterija, koji nose krv u cijelom tijelu. Vremenom se te arterije stvrdnjavaju i sužavaju. Ovaj postupak nazvan ateroskleroza ograničava sposobnost krvi bogate kisikom da dospije do vitalnih organa i povećava rizik za srčani udar ili moždani udar. Iako je uzrok ateroskleroze nepoznat, kombinacija navika (poput razine aktivnosti, pušenja i prehrane), genetskih faktora rizika i dobi doprinose njegovom razvoju. Dva konvencionalna kirurška pristupa za blokirane arterije su angioplastika i bypass operacija. Tijekom angioplastike vaskularni kirurg napuha mali balon unutar krvne žile i umetne metalnu mrežastu cijev nazvanu stent da drži arterije otvorenima i poboljša protok krvi. Suprotno tome, bajpas operacija uključuje preusmjeravanje protoka krvi korištenjem deblokiranih vena ili arterija da bi se zaobišla sužena arterija.
No, ova nova inovacija u nanomedicini poprima oblik malih mikroba, koji se spajaju i tvore strukturu sličnu čepovima koja može kretati kroz izdajničke vode krvožilnog sustava. Mikro plivači sačinjeni su od sićušnih zrna željeznog oksida malih 200 nanometara, povezanih u lanac. Ove kuglice su "sastavljene od anorganskih, biokompatibilnih materijala koji neće izazvati imunološki odgovor", kaže MinJun Kim, profesor na Tehničkom fakultetu Sveučilišta Drexel.
Da bi inducirao kretanje kroz krvotok, lanac je izložen fino kalibriranom vanjskom magnetskom polju. Rotacija ovog polja uzrokuje da lanac formira rotirajuću spiralnu strukturu koja se sama probija kroz krvotok. Svojstva ovog magnetskog polja također pomažu u kontroli brzine, smjera i veličine lanca mikroplivača (utječe na silu kojom se kreće) na temelju prirode okluzije arterija.
"Upotreba mikro-robota u medicini je stvarno potpuno novo područje, za koje je potrebna snažna multidisciplinarna podloga za istraživanje", kaže Kim.
Jedinstveni dizajn mikro kupača bio je inspiriran samoj prirodom - mikroorganizmom zvanim Borrelia burgdorferi . (Sveučilište Drexel) Jedinstveni dizajn mikro kupača bio je inspiriran samoj prirodom - mikroorganizmom zvanim Borrelia burgdorferi . Spiralna struktura ove bakterije, koja je odgovorna za izazivanje Lyme-ove bolesti, omogućava joj da se lako infiltrira u tjelesne tekućine i nanese široku štetu.
Kako bi uklonili arterijske plakove, znanstvenici će pomoću katetera dostaviti mikroplavače i sitnu vaskularnu bušilicu kako bi očistili okluzivnu arteriju. Nakon razmještanja, mikroplivači će pokrenuti početni napad otpuštajući očvrsli plak, što će zauzvrat završiti kirurškim vježbanjem. Nakon operacije, biorazgradive kuglice dizajnirane su za oslobađanje antikoagulantnih lijekova u krvotok kako bi se pomoglo ublažavanju budućeg nakupljanja plaka.
"Trenutni tretmani kronične totalne okluzije uspješni su samo oko 60 posto", rekla je Kim u priopćenju za javnost . „Vjerujemo da bi metoda koju razvijamo mogla biti uspješna čak od 80 do 90 posto, a možda i skratila vrijeme oporavka.“
Za mikroplavače, istraživači su koristili asimetrične strukture od tri sićušne kuglice željeznog oksida. (Sveučilište Drexel) Istraživački tim morao je svladati nekoliko izazova za razvoj funkcionalnih robota na takvoj mikroskopskoj razini. "Mikroskopski svijet je potpuno drugačiji od makroskopskog svijeta u kojem svi živimo", kaže Kim. "Mi se inercijom krećemo u makroskopskom svijetu, ali na mikroskopskoj razini inercija nije korisna za kretanje." Kao rezultat toga, znanstvenici su morali koristiti asimetrične (ili kiralne) strukture za mikroplavare. „Mi možemo stvoriti mikroplavače s jednim i dva zrna, ali kada primijenimo magnetsko polje, oni se uopće ne mogu kretati jer su njihove strukture simetrične. Dakle, da bismo stvorili nesimetričnu strukturu, trebalo nam je koristiti najmanje tri perle “, kaže Kim.
Još jedna prepreka s kojom su se istraživači susreli bila su složenost svojstava tekućine u krvi. Za razliku od vode, krv se naziva ne-njutonska tekućina, što znači da njena viskoznost (ili otpornost na protok) tečnosti nije izravno proporcionalna brzini kojom teče. Kao rezultat, algoritmi za kontrolu mikroplavaca koje su Kim i njegov tim razvili temeljili su se na nelinearnoj dinamici fluida i bili su mnogo složeniji. "Ova nelinearna kontrola znatno otežava manipulaciju robotima na mikrorazini", kaže Kim.
Znanstvenici iz Drexela pridružili su se Daegu Gyeongbuk institutu za znanost i tehnologiju kako bi ovu tehnologiju proširili za svakodnevnu uporabu kardiovaskularnih kirurških timova. Do sada su mikro plivači testirani samo u umjetnim krvnim žilama. Međunarodni istraživački napor, projekt vrijedan 18 milijuna dolara koji je financirao Korejski institut za industrijsku tehnologiju, zaposlio je vrhunske inženjere iz 11 drugih institucija u Sjedinjenim Državama, Koreji i Švicarskoj. Nadaju se da će tehnologiju imati u kliničkim ispitivanjima na ljudima u roku od četiri godine.
Uz uporabu mikroplavaca kao vodovodnih uređaja za arterije, istraživači su istraživali i druge potencijalne biomedicinske primjene, poput ciljanije terapije lijekovima i tehnologije snimanja veće razlučivosti. "Na primjer, kuglice bi se mogle koristiti za prodor izravno u teško dostupne stanice karcinoma raka gdje će se lijek pustiti u cilj, čime se maksimizira učinkovitost lijeka", kaže Kim.
Kimovo zanimanje za područje nanotehnologije potaknulo je znanstvenofantastični film iz 1966. godine Fantastično putovanje i njegov rimejk Innerspace režirao Steven Spielberg. Oba ova filma uključuju minijaturizaciju čovjekove podmornice koja se nakon toga ubrizgava u ljudsko tijelo na misiji spašavanja života.
"Gledao sam Innerspace kad sam bio u srednjoj školi 1987. Film sadrži brojne koncepte mikro-robotike i nanomedicine koji su poslužili kao inspiracija i meni i drugim istraživačima na ovom polju", kaže Kim. "Uzbuđen sam što sam dio projekta koji je uključen u stvarnost ove znanstvene fantastike."
