Хирурзите скоро ще разполагат армии от миниатюрни роботи, които да извършват микрохирургия по цялото тяло. Въпреки че това може да изглежда като научна фантастика , изследователски екип от Университета Дрексел разработи микро-роботизирана технология, която се смята за важна мисия - пробиване през запушени артерии.
Предсърдни плаки се образуват, когато мазнини, холестерол, калций и други вещества се отлагат по вътрешните стени на артериите, които пренасят кръв по цялото тяло. С течение на времето тези артерии се втвърдяват и стесняват. Този процес, наречен атеросклероза, ограничава способността на кръвта богата на кислород да достига до жизненоважни органи и увеличава риска от инфаркт или инсулт. Въпреки че причината за атеросклерозата е неизвестна, комбинация от навици (като ниво на активност, тютюнопушене и диета), генетични рискови фактори и възраст допринасят за нейното развитие. Два конвенционални хирургични подхода за блокирани артерии са ангиопластика и байпас. По време на ангиопластика съдов хирург надува малък балон вътре в кръвоносния съд и вкарва метална мрежеста тръба, наречена стент, за да държи артериите отворени и да подобри кръвния поток. За разлика от това, байпасната операция включва пренасочване на кръвния поток чрез използване на незапушени вени или артерии, за да се заобиколи стеснената артерия.
Тази нова иновация в наномедицината обаче придобива формата на малки микрочисти, които се съединяват и образуват структура, наподобяваща тирбушон, способна да навигира коварните води на съдовата система на тялото. Микро плувците са съставени от малки мъниста железен оксид, малки колкото 200 нанометра, обединени във верига. Тези топчета са „съставени от неорганични, биосъвместими материали, които няма да предизвикат имунологичен отговор“, казва Мин Джун Ким, професор в Инженерния колеж на университета Дрексел.
За да предизвика движение през кръвния поток, веригата е изложена на фино калибрирано външно магнитно поле. Въртенето на това поле кара веригата да образува въртяща се спирална структура, която се движи през кръвния поток. Свойствата на това магнитно поле също помагат да се контролира скоростта, посоката и големината на веригата на микро-плувците (влияе на силата, с която се движи) въз основа на естеството на артериалната оклузия.
„Използването на микророботи в медицината е наистина съвсем ново поле, което изисква силен мултидисциплинарен опит в научните изследвания“, казва Ким.
Уникалният дизайн за микроплавателя е вдъхновен от самата природа - микроорганизъм, наречен Borrelia burgdorferi . (Университет Дрексел) Уникалният дизайн за микроплавателя е вдъхновен от самата природа - микроорганизъм, наречен Borrelia burgdorferi . Спиралната структура на тази бактерия, която е отговорна за причиняването на лаймска болест, й позволява лесно да проникне в телесни течности и да причини широко повреди.
За да отстранят артериалните плаки, учените ще използват катетър, за да доставят микроплавачите и малка съдова тренировка, за да изчистят оклудираната артерия. След разполагането им микроплавачите ще започнат първоначалната атака, разхлабвайки втвърдената плака, която от своя страна ще бъде завършена от хирургическата тренировка. След операцията, биоразградимите топчета са проектирани да освобождават антикоагулантни лекарства в кръвообращението, за да помогнат на бъдещото натрупване на плака.
„Сегашните лечения за хронична тотална оклузия са успешни само около 60 процента“, казва Ким в съобщение за пресата . „Вярваме, че методът, който разработваме, може да достигне успех от 80 до 90 процента и евентуално да съкрати времето за възстановяване.“
За микро-плувците изследователите са използвали асиметрични структури от три мънисти топчета от железен оксид. (Университет Дрексел) Изследователският екип трябваше да преодолее няколко предизвикателства, за да разработи функционални роботи в такъв микроскопичен мащаб. "Микроскопичният свят е напълно различен от макроскопичния свят, в който всички живеем", казва Ким. "Ние използваме инерцията, за да се движим в макроскопичния свят, но на микроскопично ниво инерцията не е полезна за движение." В резултат на това учените трябваше да използват асиметрични (или хирални) структури за микроплавачите. „Можем да създадем микро-плувци с едно и две мъниста, но когато приложим магнитното поле, те изобщо не могат да се движат, защото структурите им са симетрични. Така че, за да създадем несиметрична структура, трябваше да използваме поне три мъниста “, казва Ким.
Друга пречка пред изследователите бяха сложните свойства на течността на кръвта. За разлика от водата, кръвта се обозначава като неньютонова течност, което означава нейният вискозитет (или устойчивост на потока) на течността не е пряко пропорционален на скоростта, с която тече. В резултат на това алгоритмите за контрол на микро плувците, които Ким и неговият екип разработиха, се основаваха на нелинейната динамика на флуидите и бяха много по-сложни. „Това нелинейно управление прави много по-трудно да се манипулират роботи на микроразмерите“, казва Ким.
Учените от Drexel се присъединиха към Института за наука и технологии Daegu Gyeongbuk, за да разширят тази технология за ежедневна употреба от сърдечно-съдови хирургически екипи. Досега микроплавачите са тествани само в изкуствени кръвоносни съдове. Международните изследователски усилия, проект на стойност 18 милиона долара, финансиран от Корейския институт за оценка на индустриалните технологии, са наели топ инженери от 11 други институции в САЩ, Корея и Швейцария. Те се надяват технологията да бъде включена в клинични изпитвания върху хора в рамките на четири години.
В допълнение към използването на микроплавачите като водопроводни устройства за артериите, изследователите са изследвали и други потенциални биомедицински приложения, като по-насочени лекарствени терапии и технология за изобразяване с по-висока разделителна способност. „Например, топчетата могат да бъдат използвани за проникване директно в труднодостъпни ракови туморни клетки, където лекарството ще бъде пуснато в целта, като по този начин се постигне максимална ефективност на лекарството“, казва Ким.
Интересът на Ким към областта на нанотехнологиите беше предизвикан от научнофантастичния филм от 1966 г. „ Фантастично пътешествие“ и неговия римейк, насочен от Стивън Спилбърг „ Innerspace“ . И двата филма включват миниатюризацията на пилотирана подводница, която впоследствие се инжектира в човешкото тяло при спасителна мисия.
„Гледах Innerspace, когато бях в гимназията през 1987 г. Филмът съдържа множество концепции за микророботика и наномедицина, които са послужили като вдъхновение както за мен, така и за други изследователи в тази област“, казва Ким. „Радвам се, че съм част от проект, който участва в реализирането на тази научна фантастика.“
