Хирурги скоро развернут армии крошечных роботов, чтобы выполнять микрохирургические операции по всему телу. Хотя это может показаться научной фантастикой , исследовательская группа из Университета Дрексел разработала микро-роботизированную технологию, которая рассматривается для важной миссии - бурения через засоренные артерии.
Предсердные бляшки образуются, когда жир, холестерин, кальций и другие вещества откладываются на внутренних стенках артерий, которые несут кровь по всему организму. Со временем эти артерии затвердевают и сужаются. Этот процесс, называемый атеросклерозом, ограничивает способность богатой кислородом крови достигать жизненно важных органов и увеличивает риск сердечного приступа или инсульта. Хотя причина атеросклероза неизвестна, на ее развитие влияет сочетание привычек (таких как уровень активности, курение и диета), генетических факторов риска и возраста. Два традиционных хирургических подхода для заблокированных артерий - ангиопластика и шунтирование. Во время ангиопластики сосудистый хирург надувает маленький баллон внутри кровеносного сосуда и вставляет металлическую сетчатую трубку, называемую стент, чтобы держать артерии открытыми и улучшать кровоток. Напротив, шунтирующая операция включает перенаправление кровотока с использованием незаблокированных вен или артерий для обхода суженной артерии.
Это новое новшество в наномедицине, однако, принимает форму маленьких микрошариков, которые соединяются вместе, образуя штопороподобную структуру, способную перемещаться по коварным водам сосудистой системы организма. Микропловцы состоят из крошечных шариков оксида железа размером до 200 нанометров, соединенных вместе в цепочку. Эти шарики «состоят из неорганических, биосовместимых материалов, которые не вызывают иммунологический ответ», - говорит МинЮн Ким, профессор инженерного колледжа университета Дрексел.
Чтобы вызвать движение через кровоток, цепь подвергается воздействию точно откалиброванного внешнего магнитного поля. Вращение этого поля заставляет цепь формировать вращающуюся спиральную структуру, которая продвигается через кровоток. Свойства этого магнитного поля также помогают контролировать скорость, направление и размер цепи микроплавателя (влияя на силу, с которой она движется) в зависимости от характера артериальной окклюзии.
«Использование микро-роботов в медицине - это действительно новая область, которая требует серьезного опыта междисциплинарных исследований», - говорит Ким.
Уникальный дизайн микроплавателя был вдохновлен самой природой - микроорганизмом Borrelia burgdorferi . (Университет Дрексел) Уникальный дизайн микроплавателя был вдохновлен самой природой - микроорганизмом Borrelia burgdorferi . Спиральная структура этой бактерии, которая ответственна за возникновение болезни Лайма, позволяет ей легко проникать в телесные жидкости и наносить повсеместный ущерб.
Чтобы удалить артериальные бляшки, ученые будут использовать катетер для доставки микроплавателей и крошечное сосудистое сверло для очистки закупоренной артерии. После развертывания микроплавцы начнут начальную атаку, ослабляя затвердевший налет, который, в свою очередь, будет завершен хирургическим упражнением. После операции биоразлагаемые шарики предназначены для высвобождения антикоагулянтных препаратов в кровоток, что помогает предотвратить накопление зубного налета в будущем.
«Современные методы лечения хронической полной окклюзии успешны только на 60 процентов», - сказала Ким в пресс-релизе . «Мы считаем, что метод, который мы разрабатываем, может достигать 80-90 процентов успеха и, возможно, сократить время восстановления».
Для микроплавателей исследователи использовали асимметричные структуры из трех крошечных шариков из оксида железа. (Университет Дрексел) Исследовательская группа должна была преодолеть несколько проблем, чтобы разработать функциональных роботов в таком микроскопическом масштабе. «Микроскопический мир полностью отличается от макроскопического мира, в котором мы все живем», - говорит Ким. «Мы используем инерцию для перемещения в макроскопическом мире, но на микроскопическом уровне инерция бесполезна для движения». В результате ученым пришлось использовать асимметричные (или хиральные) структуры для микроплавателей. «Мы можем создать микроплавцы с одним и двумя бортами, но когда мы применяем магнитное поле, они вообще не могут двигаться, потому что их структуры симметричны. Таким образом, чтобы создать несимметричную структуру, нам нужно было использовать как минимум три шарика », - говорит Ким.
Еще одним препятствием, с которым столкнулись исследователи, были сложные свойства жидкости в крови. В отличие от воды, кровь называется неньютоновской жидкостью, что означает, что ее вязкость (или сопротивление потоку) жидкости не прямо пропорциональна скорости, с которой она течет. В результате разработанные Кимом и его командой алгоритмы управления микропловцами были основаны на нелинейной гидродинамике и были намного более сложными. «Этот нелинейный контроль значительно усложняет манипулирование роботами на микроуровне», - говорит Ким.
Ученые Drexel присоединились к Научно-техническому институту Тэгу Кёнбук, чтобы расширить эту технологию для повседневного использования сердечно-сосудистыми хирургическими бригадами. Пока что микроплавцы были протестированы только на искусственных кровеносных сосудах. Международная исследовательская работа, проект стоимостью 18 млн. Долларов, финансируемый Корейским институтом оценки промышленных технологий, привлекла лучших инженеров из 11 других учреждений в Соединенных Штатах, Корее и Швейцарии. Они надеются использовать эту технологию в клинических испытаниях на людях в течение четырех лет.
В дополнение к использованию микроплавателей в качестве сантехнических устройств для артерий, исследователи изучают другие потенциальные биомедицинские применения, такие как более целенаправленная лекарственная терапия и технология визуализации с более высоким разрешением. «Например, шарики могут быть использованы для непосредственного проникновения в труднодоступные раковые опухолевые клетки, где лекарство попадет в мишень, тем самым максимизируя эффективность лекарства», - говорит Ким.
Интерес Кима к области нанотехнологий был вызван научно-фантастическим фильмом 1966 года « Фантастическое путешествие» и его римейком « Внутреннее пространство» под руководством Стивена Спилберга. Оба этих фильма посвящены миниатюризации пилотируемой человеком подводной лодки, которая впоследствии вводится в организм человека для спасательной миссии.
«Я смотрел Innerspace, когда учился в средней школе в 1987 году. Фильм содержит многочисленные концепции микро-робототехники и наномедицины, которые послужили источником вдохновения для меня и других исследователей в этой области», - говорит Ким. «Я рад быть частью проекта, который вовлечен в реализацию этой научной фантастики».
