Chirurgii vor implementa în curând armate de roboți minusculi pentru a efectua microsurgerii în întregul corp. Deși acest lucru poate părea a fi ficțiune , o echipă de cercetare de la Universitatea Drexel a dezvoltat o tehnologie micro-robotică care este considerată pentru o misiune importantă - foraj prin artere înfundate.
Plăcile atriale se formează atunci când grăsimile, colesterolul, calciul și alte substanțe sunt depuse pe pereții interiori ai arterelor, care transportă sânge în tot corpul. În timp, aceste artere se întăresc și se îngustă. Acest proces numit ateroscleroză limitează capacitatea sângelui bogat în oxigen de a ajunge la organele vitale și crește riscul de atac de cord sau accident vascular cerebral. Deși cauza aterosclerozei nu este cunoscută, o combinație de obiceiuri (cum ar fi nivelul de activitate, fumatul și dieta), factorii de risc genetici și vârsta contribuie la dezvoltarea acesteia. Două abordări chirurgicale convenționale pentru arterele blocate sunt angioplastia și chirurgia bypass. În timpul unei angioplastii, un chirurg vascular umflă un balon mic în vasul de sânge și introduce un tub de plasă metalică numit stent pentru a menține arterele deschise și pentru a îmbunătăți fluxul sanguin. În schimb, o intervenție chirurgicală de bypass presupune redirecționarea fluxului de sânge prin utilizarea de vene sau artere neblocate pentru a ocoli artera îngustată.
Această nouă inovație în nanomedicină, însă, ia forma micilor microbii care se unesc pentru a forma o structură asemănătoare cu tirbușel, capabilă să navigheze în apele trădătoare ale sistemului vascular al corpului. Micro-înotătorii sunt alcătuiți din perle minuscule de oxid de fier, cât mai mici de 200 nanometri, unite între ele într-un lanț. Aceste mărgele sunt „compuse din materiale anorganice, biocompatibile care nu vor declanșa un răspuns imunologic”, spune MinJun Kim, profesor în Colegiul de Inginerie al Universității Drexel.
Pentru a induce mișcarea prin fluxul de sânge, lanțul este expus unui câmp magnetic extern calibrat. Rotația acestui câmp face ca lanțul să formeze o structură elicoidală învârtită care se propulsează prin fluxul de sânge. Proprietățile acestui câmp magnetic ajută, de asemenea, la controlul vitezei, direcției și dimensiunii lanțului de micro-înotători (care afectează forța cu care se mișcă) în funcție de natura ocluziei arteriale.
„Utilizarea micro-roboților în medicină este într-adevăr un domeniu complet nou, care necesită un fond de cercetare multidisciplinar puternic”, spune Kim.
Designul unic pentru micro-înotător a fost inspirat din natura însăși - un microorganism numit Borrelia burgdorferi . (Universitatea Drexel) Designul unic pentru micro-înotător a fost inspirat din natura însăși - un microorganism numit Borrelia burgdorferi . Structura spirală a acestei bacterii, care este responsabilă pentru a provoca boala Lyme, îi permite să se infiltreze cu ușurință în lichidele corporale și să provoace daune răspândite.
Pentru a elimina plăcile arteriale, oamenii de știință vor folosi un cateter pentru a elibera micro-înotătorii și un minuscul exercițiu vascular pentru a curăța artera oculată. În urma desfășurării, micro-înotătorii vor lansa atacul inițial de dezlegare a plăcii întărite, care la rândul său va fi finalizată de burghiul chirurgical. După operație, mărgelele biodegradabile sunt concepute pentru a elibera medicamente anticoagulante în fluxul sanguin pentru a ajuta la construirea plăcii stymie viitoare.
„Tratamentele actuale pentru ocluzia cronică totală au doar 60% de succes”, a spus Kim într-un comunicat de presă . „Credem că metoda pe care o dezvoltăm poate avea un succes de 80 până la 90 la sută și poate reduce timpul de recuperare.”
Pentru micro-înotători, cercetătorii au folosit structuri asimetrice a trei mărgele mici de oxid de fier. (Universitatea Drexel) Echipa de cercetare a trebuit să depășească mai multe provocări pentru a dezvolta roboți funcționali la o asemenea scară microscopică. „Lumea microscopică este complet diferită de lumea macroscopică în care trăim cu toții”, spune Kim. „Folosim inerția pentru a ne deplasa în lumea macroscopică, dar la nivel microscopic, inerția nu este utilă pentru mișcare.” Drept urmare, oamenii de știință au trebuit să folosească structuri asimetrice (sau chirale) pentru micro-înotători. „Putem crea micro-înotători cu o singură margă și două mărgele, dar atunci când aplicăm câmpul magnetic nu se pot mișca deloc, deoarece structurile lor sunt simetrice. Deci, pentru a crea o structură nesimetrică, a fost nevoie să folosim cel puțin trei margele ”, spune Kim.
Un alt obstacol pe care cercetătorii l-au confruntat a fost proprietățile complexe de fluid ale sângelui. Spre deosebire de apă, sângele este denumit un fluid non-newtonian, ceea ce înseamnă că vâscozitatea acestuia (sau rezistența la curgere) a fluidului nu este direct proporțională cu viteza cu care curge. Drept urmare, algoritmii pentru controlul micro-înotătorilor pe care Kim și echipa sa au dezvoltat-o s-au bazat pe dinamica fluidelor neliniare și au fost mult mai elaborate. „Acest control neliniar face mult mai dificilă manipularea roboților la microscop”, spune Kim.
Oamenii de știință Drexel s-au alăturat Institutului de Științe și Tehnologie Daegu Gyeongbuk pentru a extinde această tehnologie pentru utilizarea de zi cu zi de către echipele chirurgicale cardiovasculare. Până în prezent, micro-înotătorii au fost testați doar în vase de sânge artificiale. Efortul internațional de cercetare, un proiect de 18 milioane de dolari finanțat de Institutul de Evaluare a Tehnologiei Industriale din Coreea, a recrutat ingineri de top din alte 11 instituții din Statele Unite, Coreea și Elveția. Ei speră să aibă tehnologia în studiile clinice umane în termen de patru ani.
În plus față de utilizarea micro-înotătorilor ca dispozitive sanitare pentru artere, cercetătorii au investigat și alte aplicații biomedicale potențiale, cum ar fi terapiile medicamentoase mai direcționate și tehnologia imagistică de rezoluție mai mare. „De exemplu, mărgelele ar putea fi folosite pentru a pătrunde direct în celulele tumorale canceroase greu accesibile, unde medicamentul va fi eliberat în țintă, maximizând astfel eficiența medicamentului”, spune Kim.
Interesul lui Kim pentru domeniul nanotehnologiei a fost stârnit de filmul științific de ficțiune din 1966, Fantastic Voyage și de remake-ul său, regizat de Steven Spielberg, Innerspace . Ambele dintre aceste filme implică miniaturizarea unui submarin pilotat de om care este ulterior injectat în corpul uman într-o misiune de salvare a vieții.
„Am privit Innerspace când am fost la liceu în 1987. Filmul conține numeroase concepte de micro-robotică și nanomedicină care au servit drept inspirație atât pentru mine cât și pentru alți cercetători din acest domeniu”, spune Kim. „Sunt încântat să fac parte dintr-un proiect care este implicat în aducerea acestei ficțiuni în realitate.”
