SZ nr 17–25/2015z 12 marca 2015 r.
Niezwykła podróż – medyczne mikroroboty
Marek Matacz
Mikroskopijne roboty mają wędrować w ludzkim ciele, dostarczać leki i naprawiać tkanki. technika stawia już pierwsze kroki. medycyna przyszłości? Wiele na to wskazuje.
Jest naprawdę mały, pięć razy mniejszy od średnicy ludzkiego włosa. Naukowcy z University of California w San Diego wprowadzili krople z setkami takich mikrorobotów do mysich żołądków. Po co? Aby zbadać nowy rodzaj napędu, który mógłby zasilać mikroskopijne, medyczne maszyny. Wynalazek ma kiedyś wprowadzać leki do ściany żołądka.
Wodorowe bąbelki
Pomysł jest w zasadzie prosty, ale skuteczny. Pływający mikrorobot nie ma śrub napędowych czy innych ruchomych elementów. Zbudowany jest głównie z cynku, a pierwiastek ten silnie reaguje z kwaśnym środowiskiem. W czasie tej reakcji wydzielają się bąbelki wodoru, które popychają robota do przodu. W ten sposób cynkowy mikronapęd osiąga prędkość 60 mikrometrów na sekundę i może działać przez dziesięć minut. Jak to wygląda w praktyce? Opisujący swój eksperyment badacze donoszą, że reakcja ruszyła zaraz po kontakcie z kwasem. Na końcu swojej podróży roboty dotarły do błony śluzowej żołądków, po czym cynkowy „silnik” pozwolił im się w nią wbić i się w niej zagnieździć. O to właśnie chodziło naukowcom. Do robota dodali bowiem ładunek w postaci nanocząstek złota. Mimo że robotami nie da się jeszcze sterować, z ich pomocą badaczom udało się umieścić w ścianie żołądka ponad trzy razy więcej złota niż przez podanie takich samych nanocząstek bez wspomagania. – Jest to napęd, który potrafi przebić się przez lepką warstwę i tam pozostać, a to daje mu przewagę nad bardziej pasywnymi metodami dostarczania leków – mówi współtwórca urządzenia, prof. Liangfang Zhang.
Kiedy mikroskopijne maszyny już spełnią swoje zadanie, nie trzeba ich z żołądka usuwać. Po prostu rozpuszczają się w kwasie i nie pozostaje po nich żaden ślad. Oczywiście, produkty ich rozpadu są zupełnie nieszkodliwe.
Według naukowców zajmujących się medyczną mikrorobotyką, miniaturowe maszyny mogłyby spełniać w organizmie wiele rozmaitych funkcji. Oprócz dostarczania lekarstw, mogłyby m.in. pomagać w diagnostyce, przeprowadzać biopsje, udrażniać zatkane naczynia krwionośne, czy nawet pomagać w sztucznym zapłodnieniu.
Magnetoplemnik
Wodorowy silnik nie wystarczy do wszystkich zadań, ale to tylko jeden z pomysłów na poruszanie mikrorobotami. Są też inne. Na przykład w holenderskim Universiteit Twente powstał robot, który jest napędzany przez zmienne pole magnetyczne. Jego konstruktorzy postawili na sprawdzone przez naturę rozwiązanie i nadali mu kształt plemnika. Na jego główce umieścili niklowo-kobaltową warstwę, która reaguje na magnetyzm. Odpowiednio modulowane pole wprawia ją w ruch, a to z kolei wywołuje falę rozchodzącą się wzdłuż wici. Efekt końcowy to ruch całości. – Wybraliśmy plemniki ze względu na ich opływowy kształt. Odkryliśmy, że są wydajne, jeśli chodzi o poruszanie się w płynnym środowisku o zmiennym przepływie – opowiada prof. Sarthak Misra, główny twórca mikrourządzenia.
Jak na razie rozmiar urządzenia jest inny niż pierwowzoru. Robot jest bowiem sześć razy większy od ludzkiego plemnika. Badacze mają już jednak pomysł, jak to zmienić. Magnetyczne nanowłókna wbudowane w wici mają pomóc w redukcji rozmiarów.
Robot z sercem
Wykorzystania natury nie trzeba ograniczać tylko do naśladownictwa. Z takiego założenia wyszedł zespół naukowców z University of Illinois, który połączył krzemowy polimer i żywe komórki mięśnia sercowego. Tak powstał dwumilimetrowy robot, do pewnego stopnia też przypominający plemniki. Żywe komórki znajdują się na połączeniu wydłużonej główki i długiej wici. Już po trzech dniach od połączenia z polimerową konstrukcją, zaczęły kurczyć się w zsynchronizowany sposób. Ruch wici pozwala robotowi pływać w lepkich płynach, takich jakie spotkać można w ludzkim organizmie. Badacze zbudowali już wzbogaconą wersję swojego wynalazku – robota z dwiema wiciami, który pływa osiem razy szybciej od pierwszego modelu i może poruszać się po zakrzywionym torze. Uczeni twierdzą, że możliwe jest zbudowanie wersji, która będzie miała trzy wici i będzie mogła pływać w trzech wymiarach.
Bakteriobot
Płynący przed siebie robot dotrze w końcu, na przykład, do ściany żołądka, jeśli takie będzie jego zadanie, ale w wielu przypadkach potrzebna będzie większa precyzja. Jednym ze sposobów na to, aby ją osiągnąć jest chemotaksja. Udało się ją „zaprząc” koreańskim naukowcom, którzy jednak dosyć daleko posunęli się w wykorzystaniu gotowych wynalazków przyrody. Uczeni z Chonnam National University doposażyli genetycznie zmodyfikowaną, nieszkodliwą bakterię Salmonella typhimurium, która wykrywa substancje wydzielane przez komórki nowotworowe i kieruje się w ich stronę. Badacze połączyli bakterie z mierzącymi 3μm kapsułkami, w których może znaleźć się przeciwnowotworowy lek lub substancja pomocna w diagnozie. Za pomocą swoich wici bakteria wędruje w kierunku chorej tkanki i niesie z sobą kapsułkę ze związkiem, który na miejscu jest uwalniany.
Swoje bakterioboty uczeni podali dożylnie myszom. Badanie potwierdziło wybiórczą wędrówkę robotów w kierunku guzów. Poza doskonaleniem antynowotworowego wynalazku koreańscy badacze myślą już o kolejnych. – Nasze plany na przyszłość to rozwój medycznych mikrorobotów albo nanorobotów, które będą potrafiły diagnozować i leczyć przeróżne, trudne do leczenia choroby – zapowiada prof. Jung–Oh Park z Chonnam National University.
Do zastosowania mikroskopijnych maszyn w klinicznej praktyce wiedzie jeszcze zapewne długa droga. Być może jednak prowadzi ona do miejsca, w którym to niewidoczne gołym okiem roboty będą pomagały utrzymać ludzkie ciała w dobrym zdrowiu.