Zespół inżynierów z University of Colorado Boulder zaprojektował nową klasę maleńkich, samobieżnych robotów, które mogą prześlizgiwać się przez płyny z niewiarygodną prędkością – a pewnego dnia mogą nawet dostarczać leki na receptę do trudno dostępnych miejsc w ludzkim ciele ciało.
Naukowcy opisują swoich mini dostawców opieki zdrowotnej w artykule opublikowanym w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Small.
„Wyobraź sobie, że mikroroboty mogłyby wykonywać pewne zadania w ciele, takie jak nieinwazyjne operacje” – powiedział Jin Lee, główny autor badania i doktor habilitowany na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej. „Zamiast wcinać się w pacjenta, możemy po prostu wprowadzić roboty do organizmu za pomocą pigułki lub zastrzyku, a one same wykonają zabieg”.
Lee i jego koledzy jeszcze tam nie są, ale nowe badania to duży krok naprzód dla małych robotów.
Mikroroboty grupy są naprawdę małe. Każdy z nich ma zaledwie 20 mikrometrów szerokości, czyli kilka razy mniej niż szerokość ludzkiego włosa. Są również bardzo szybkie, zdolne do poruszania się z prędkością około 3 milimetrów na sekundę, czyli około 9000 razy większą niż ich długość na minutę. To wiele razy szybciej niż gepard w wartościach względnych.
Mają też duży potencjał. W nowym badaniu grupa rozmieściła floty tych maszyn do transportu dawek deksametazonu, powszechnego leku steroidowego, do pęcherzy myszy laboratoryjnych. Wyniki sugerują, że mikroroboty mogą być użytecznym narzędziem w leczeniu chorób pęcherza i innych chorób u ludzi.
„Roboty w mikroskali wzbudziły wiele emocji w kręgach naukowych, ale dla nas interesujące jest to, że możemy je zaprojektować tak, aby wykonywały przydatne zadania w ciele” – powiedział C. Wyatt Shields, współautor nowego badania i adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej.
Fantastyczna podróż
Jeśli to brzmi jak coś wyrwanego z science fiction, to dlatego, że tak jest. W klasycznym filmie Fantastyczna podróż grupa poszukiwaczy przygód podróżuje skurczoną łodzią podwodną do ciała mężczyzny w śpiączce.
„Film został wydany w 1966 roku. Dziś żyjemy w epoce robotów w skali mikrometrów i nanometrów” – powiedział Lee.
Wyobraża sobie, że tak jak w filmie, mikroroboty mogą krążyć w krwioobiegu człowieka, wyszukując docelowe obszary do leczenia różnych dolegliwości.
Zespół tworzy swoje mikroroboty z materiałów zwanych biokompatybilnymi polimerami przy użyciu technologii podobnej do druku 3D. Maszyny wyglądają trochę jak małe rakiety i są wyposażone w trzy małe płetwy. Zawierają również coś ekstra: każdy z robotów przenosi małą bańkę uwięzionego powietrza, podobnie jak w przypadku zanurzenia szklanki w wodzie do góry dnem. Jeśli wystawisz maszyny na działanie pola akustycznego, takiego jak używane w ultradźwiękach, bąbelki zaczną dziko wibrować, odpychając wodę i wystrzeliwując roboty do przodu.
Inni współautorzy nowego badania z CU Boulder to Nick Bottenus, adiunkt inżynierii mechanicznej; Ankur Gupta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej; oraz absolwenci inżynierii Ritu Raj, Cooper Thome, Nicole Day i Payton Martinez.
Aby zabrać swoje mikroroboty na jazdę próbną, naukowcy skupili się na powszechnym problemie ludzi: chorobie pęcherza.
Przynosząc ulgę
Śródmiąższowe zapalenie pęcherza, znane również jako zespół bolesnego pęcherza, dotyka miliony Amerykanów i, jak sama nazwa wskazuje, może powodować silny ból miednicy. Leczenie choroby może być równie niewygodne. Często pacjenci muszą przychodzić do kliniki kilka razy w ciągu kilku tygodni, gdzie lekarz wstrzykuje ostry roztwór deksametazonu do pęcherza przez cewnik.
Lee uważa, że mikroroboty mogą przynieść ulgę.
W eksperymentach laboratoryjnych naukowcy stworzyli ławice mikrorobotów zawierających wysokie stężenia deksametazonu. Następnie wprowadzili tysiące tych botów do pęcherzy myszy laboratoryjnych. Rezultatem była prawdziwa Fantastyczna Podróż: mikroroboty rozproszyły się po narządach, zanim przykleiły się do ścian pęcherza, co prawdopodobnie utrudniłoby im sikanie.
Tam maszyny powoli uwalniały deksametazon w ciągu około dwóch dni. Lee powiedział, że taki stały przepływ leków może pozwolić pacjentom na otrzymywanie większej liczby leków w dłuższym okresie czasu, poprawiając wyniki dla pacjentów.
Dodał, że zespół ma dużo pracy, zanim mikroroboty będą mogły podróżować przez prawdziwe ludzkie ciała. Na początek grupa chce, aby maszyny były w pełni biodegradowalne, aby ostatecznie rozpuściły się w ciele.
„Jeśli uda nam się sprawić, by te cząsteczki działały w pęcherzu”, powiedział Lee, „możemy osiągnąć bardziej przedłużone uwalnianie leku i być może pacjenci nie musieliby tak często przychodzić do kliniki”.