Na svetel jesenski večer leta 2006 je dr. Sylvain Martel zadrževal dih, ko je tehnik v aparat za anestezijo naložil vrteči se aparat za magnetno resonanco. Oči je gledal v računalniški zaslon, na katerem je bilo videti magnetno kroglico, ki je visela v tanki prašičji krvni žili. Napetost v sobi je bilo mogoče čutiti fizično. Naenkrat je balon oživel in drsel po plovilu kot mikroskopska podmornica, ki se je napotila proti cilju. Ekipa je počila v aplavz.
Martel in njegova ekipa so preizkušali nov način daljinskega nadzora drobnih predmetov v živi živali z manipulacijo magnetnih sil stroja. In prvič je uspelo.
Znanstveniki in pisatelji že dolgo sanjajo o majhnih robotih, ki se premikajo po ogromnem krvnem obtoku telesa, kot so vesoljski raziskovalci, ki preučujejo galaksije in njihove prebivalce. Potencial je ogromen: majhni medicinski roboti bi lahko na primer prenašali radioaktivna zdravila v rakave grozde, izvajali kirurške posege v telesu ali čistili krvne strdke globoko v srcu ali možganih.
Sanje, sanje, vendar s pomočjo robotov, pravi dr. Bradley Nelson s Politehniške univerze v Zürichu, bi se ljudje lahko potopili neposredno v krvni obtok in opravili možgansko operacijo.
Trenutno so medicinski mikro roboti večinoma izmišljeni, vendar se bo to lahko spremenilo v naslednjem desetletju. Ta teden sta dr. Mariana Medina-Sánchez in Oliver Schmidt iz Leibnizovega inštituta za raziskave trdnih snovi in materialov v Dresdnu v Nemčiji v časopisu Nature objavila članek, ki se je z velikih zaslonov preusmeril v laboratorije za nanotehniko, v katerih so opisali prednostne naloge in realistične teste za oživitev teh majhnih kirurgov.
Ustvarjanje gibal
Medicinski mikro roboti so del poti medicine v miniaturizacijo. Leta 2001 je izraelsko podjetje predstavilo PillCam, plastično kapsulo velikosti sladkarij, opremljeno s kamero, baterijo in brezžičnim modulom. Med potovanjem skozi prebavni kanal je PillCam občasno brezžično pošiljal slike nazaj in ponujal bolj občutljivo in manj toksično diagnostično metodo kot tradicionalna endoskopija ali radiografija.
Promocijski video:
PillCam je velikanski za popoln mikrorobot, zato je primeren le za razmeroma široko cev našega prebavnega sistema. Tudi ta tableta je bila pasivna in se ni mogla zadrževati na zanimivih mestih za podrobnejši pregled.
"Pravi medicinski robot se mora premikati in napredovati skozi zapleteno mrežo tubulov, napolnjenih s tekočino, v tkivih globoko v telesu," pojasnjuje Martel.
Telo žal zunaj gostov ni preveč dobrodošlo. Mikroroboti morajo prenesti jedke želodčne sokove in plavati gorvodno v krvnem obtoku brez motorja.
Laboratoriji po vsem svetu poskušajo najti smiselne alternative za reševanje prehranske težave. Ena ideja je ustvariti kemične rakete: cilindrične mikrorobote z "gorivom" - kovino ali drugim katalizatorjem -, ki reagira z želodčnimi sokovi ali drugimi tekočinami in oddaja mehurčke s hrbtne strani valja.
"Te motorje je težko upravljati," pravita Medina-Sanchez in Schmidt. Njihovo smer lahko približno nadzorujemo s pomočjo kemijskih gradientov, vendar niso dovolj robustni in učinkoviti. Izzivi so tudi pri načrtovanju nestrupenih goriv na osnovi sladkorja, sečnine ali drugih telesnih tekočin.
Boljša alternativa bi bili kovinski fizični motorji, ki bi se lahko aktivirali s spremembami magnetnega polja. Kot je pokazala njegova demonstracija perlice v prašiču, je Martel med prvimi preiskal takšne motorje.
Stroj MRI je idealen za nadzor in slikanje kovinskih prototipov mikrorobotov, pojasnjuje Martel. Naprava ima več sklopov magnetnih tuljav: glavni sklop magnetizira mikrorobot po vnosu v krvni obtok skozi kateter. Nato z manipulacijo z magnetnimi magnetnimi resonancami tuljav lahko ustvarimo šibka magnetna polja, ki mikrorobot potiskajo skozi krvne žile ali druge biološke cevi.
V poznejših poskusih je Martel izdeloval nanodelce železa in kobalta, prevlečene z zdravilom proti raku, in te drobne vojake vbrizgal v zajce. S pomočjo računalniškega programa za samodejno spreminjanje magnetnega polja je njegova ekipa usmerila bote naravnost v tarčo. Čeprav v tej študiji ni bilo nobenih dejanskih tumorjev, Martel pravi, da bi bili takšni projekti lahko koristni v boju proti raku jeter in drugim tumorjem z razmeroma velikimi posodami.
Zakaj ne majhna plovila? Problem je spet energija. Martel je lahko robota skrčil na nekaj sto mikrometrov - vse manj zahteva magnetne prelive, ki so tako veliki, da motijo nevrone v možganih.
Mikroborgi
Elegantnejša rešitev je uporaba bioloških motorjev, ki že obstajajo v naravi. Bakterije in sperma so oboroženi z bičimi repi, ki jih naravno poganjajo skozi zavite tunele in telesne votline za izvajanje bioloških reakcij.
S kombiniranjem mehanskih delov z biološkimi deli bi lahko ti dve komponenti medsebojno dopolnjevali, ko ena odpove.
Primer je bot za spermo. Schmidt je zasnoval drobne kovinske tuljave, ki se ovijejo okoli lene sperme in ji tako omogočijo gibljivost, da doseže jajčece. Spermo lahko naložimo tudi z zdravili, povezanimi z magnetno mikrostrukturo, za zdravljenje raka v reproduktivnem traktu.
Obstajajo tudi specializirane skupine bakterij MC-1, ki se poravnajo z zemeljskim magnetnim poljem. Z ustvarjanjem razmeroma šibkega polja - dovolj za premagovanje Zemljinega - lahko znanstveniki usmerjajo notranji kompas bakterij proti novi tarči, kot je rak.
Na žalost lahko bakterije MC-1 v topli krvi preživijo le 40 minut, večina pa jih ni dovolj močna, da bi plavala proti krvnemu obtoku. Martel želi ustvariti hibridni sistem bakterij in maščobnega mehurja. Mehurčki, naloženi z magnetnimi delci in bakterijami, bodo usmerjeni v večje posode z uporabo močnih magnetnih polj, dokler ne pridejo v ožja. Nato počijo in sprostijo roj bakterij, ki bodo na enak način z uporabo šibkih magnetnih polj zaključile svojo pot.
Premikanje naprej
Medtem ko so znanstveniki oblikovali kopico idej o pogonu, ostaja sledenje mikrorobotom, ko so implantirani v telo, velik izziv.
Kombinacije različnih slikovnih tehnik lahko pomagajo. Ultrazvok, magnetna resonanca in infrardeče slikanje so prepočasni, da bi opazovali delovanje mikrorobotov globoko v telesu. Toda s kombinacijo svetlobe, zvoka in elektromagnetnih valov bi lahko povečali ločljivost in občutljivost.
Medal-Sanchez in Schmidt pravijo, da bi bilo idealno, da bi slikovna tehnika lahko spremljala mikromotorje 10 centimetrov pod kožo, v 3D in v realnem času, ki se gibljejo z minimalno hitrostjo več deset mikrometrov na sekundo.
Trenutno je to težko doseči, vendar znanstveniki upajo, da bodo najsodobnejše optoakustične tehnike, ki združujejo infrardeče in ultrazvočno slikanje, v nekaj letih lahko postale dovolj dobre za sledenje mikrorobotom.
In potem ostaja vprašanje, kaj storiti z roboti na koncu njihovega poslanstva. Če jih pustite, da se odplavijo v telo, je znak strjevanja ali drugih katastrofalnih stranskih učinkov, kot je zastrupitev s kovinami. Vračanje robotov na izhodišče (usta, oči in druge naravne odprtine) je lahko izjemno. Zato znanstveniki razmišljajo o boljših možnostih: odstranjevanje robotov na naraven način ali ustvarjanje iz biološko razgradljivih materialov.
Slednji ima ločen plus: če so materiali občutljivi na toploto, kislost ali druge telesne dejavnike, bi jih lahko uporabili za ustvarjanje avtonomnih biorobotov, ki delujejo brez baterij. Na primer, znanstveniki so že naredili majhne "grabeže" v obliki zvezd, ki se ob vročini zaprejo okoli tkiva. Ko se grabež postavi okrog obolelih organov ali tkiv, se lahko biopsira in situ in ponudi manj invazivno metodo za presejanje raka debelega črevesa ali sledenje kroničnim vnetnim črevesnim boleznim.
"Cilj je ustvariti mikrorobote, ki lahko zaznajo, diagnosticirajo in delujejo avtonomno, medtem ko ljudje v primeru okvare opazujejo in ostanejo pod nadzorom," sta dejala Medina-Sanchez in Schmidt.
Fantastično potovanje medicinskih mikro robotov se šele začenja.
Vse kombinacije materialov, mikroorganizmov in mikrostruktur bo treba neomejeno preizkušati, da se prepričamo, da so varne, najprej na živalih in nato na ljudeh. Znanstveniki čakajo tudi na pomoč regulatorjev.
Toda optimizem znanstvenikov se ne izsuši.
"Z usklajenimi pobudami bi nas mikroroboti lahko deset let vodili v dobo neinvazivnih terapij," pravijo raziskovalci.
ILYA KHEL