Ljusa höstnatt i 2006 Dr Sylvain Martel höll andan när teknikern laddade gris under narkos i en roterande maskin fMRI. Hans ögon stirrade på datorskärmen, som visade en magnetisk pärla hängande i tunna blodkärl av en gris. Spänningen i rummet kan kännas fysiskt. Plötsligt, bollen kom till liv och gled över fartyget, som en mikroskopisk ubåt till destinationen. Laget bröt ut med applåder.
Martel och hans team har testat en ny metod för fjärrkontroll små objekt inuti levande djur, genom att manipulera de magnetiska krafterna av maskinen. För första gången och det fungerade.
Forskare och författare har länge drömt om att små robotar som rör sig genom det stora blodomloppet i kroppen, liksom utrymmet forskare som studerar galaxy och deras invånare. Potentialen är enorm: små medicinska robotar kan till exempel överföring av radioaktiva läkemedel i kluster cancer, utföra operationer inuti kroppen eller tydlig blodproppar, djupt i hjärtat eller hjärnan.
En dröm är en dröm, men med hjälp av robotar, säger Dr Bradley Nelson från Polytekniska Universitetet i Zürich, folk skulle dyka rätt in i blodomloppet, bedriva verksamhet på hjärnan.
Just nu, medicinsk mikro-robotar för det mesta är påhittade, men i nästa decennium som kan ändra. Denna vecka Dr Mariana Medina-Sanchez och Oliver Schmidt från Institutet för forskning av fasta ämnen och material Leibniz i Dresden, Tyskland, publicerade ett papper i Nature som vände sig bort från stora skärmar till nanoengineering laboratorier, som beskriver prioriteringar och realistiska tester för att återuppliva dessa små kirurger.
Skapa framdrivning
Medicinsk mikro-robotar är en del av resan i medicin inom området för miniatyrisering. År 2001, det Israeliska företaget infört PillCam — en plast kapsel storleken av en chokladkaka, utrustad med en kamera, batteri och trådlös dataöverföring. Du reser mat kanal, PillCam att med jämna mellanrum skicka bilder trådlöst, som erbjuder en mer känslig och mindre giftiga metod för diagnos än traditionella endoskopi eller röntgen.
Storlek PillCam är bara gigantiska för en perfekt microrobot, vilket gör den lämplig endast för relativt stora röret vårt matsmältningssystem. Denna tablett var också passiva och kunde inte stanna på intressanta platser för en mer detaljerad granskning.
“En riktig medicinsk robot behöver röra på sig och avancera i ett komplext nätverk av vätskefyllda rör i vävnaderna djupt i kroppen, förklarar Martel.
Kroppen är tyvärr inte mycket negativt att säga från utsidan. Robotar ska kunna motstå den korrosiva magsafter och segla uppströms i blodet utan motor.
Laboratorier runt om i världen försöker att komma med rimliga alternativ för att lösa problem med maten. En av idéerna är att skapa en kemisk missil: en cylindrisk micro-robotar med bränsle — metall eller andra katalysator som reagerar med magsafter, eller andra vätskor som avger bubblor från den bakre delen av cylindern.
“Dessa motorer är svårt att kontrollera, säger Medina-sánchez och Schmidt. Vi kan grovt styra sin riktning med hjälp av kemiska gradienter, men de är inte hardy och effektiv. Utforma icke-giftigt bränsle baserat på socker, urea, eller andra fysiologiska vätskor av organism, som också står inför utmaningar.
Ett bättre alternativ skulle vara en metall fysiska motorer, som kan aktiveras av magnetiska fält ändras. Martel, som framgår av hans demonstration med en pärla i gris, var en av de första att studera dessa motorer.
MRI-maskinen är idealisk för visualisering och kontroll av metall prototyper av micro-robotar, förklarar Martel. Maskinen har flera uppsättningar av magnetiska spolar: grundläggande magnetiserar den microrobot efter det injiceras in i blodomloppet genom katetern. Sedan, genom att manipulera lutning spolar av MRI, vi kan generera ett svagt magnetfält för att driva microrobot via blodkärl eller andra biologiska röret.
I efterföljande experiment, Martel gjorde nanopartiklar av järn och kobolt, täckt med cancer läkemedel och injiceras dessa små soldater i kaniner. Med hjälp av en dator program för automatisk ändring av det magnetiska fältet, hans team skickas bots rätt på målet. Även i denna undersökning var inte verkliga tumörer, Martel säger att sådana projekt kan vara till nytta i kampen mot levercancer och andra tumörer med relativt stora fartyg.
Varför inte mindre fartyg? Återigen, problemet med energi. Martel var kan minska robot till ett par hundra mikrometer eller mindre, så kräver en stor magnetiska gradienter, som är de som stör driften av nervceller i hjärnan.
Microcable
En mer elegant lösning är att använda biologiska motors, som redan existerar i naturen. Bakterier och spermier svansar är beväpnade lystopadovyi som på ett naturligt sätt främja dem genom vindlande tunnlar och i håligheter i kroppen för att utföra biologiska reaktioner.
Genom att kombinera mekaniska delar med biologiska sådana, att det skulle vara möjligt att göra dessa två komponenter som kompletterar varandra när man misslyckas.
Ett exempel är spermbath. Schmidt har utvecklat små metall spole som är lindad runt en “lat” spermie, ger honom den mobilitet som gör det möjligt att nå ägget. Spermier också kan laddas med läkemedel som är förknippade med den magnetiska mikrostruktur för behandling av cancer i reproduktionsorganen.
Det är fortfarande en specialiserad grupp av bakterier, MC-1, vilket är i linje med magnetfält i Jorden. Generera ett relativt svagt fält — som kommer att vara tillräckligt för att övervinna jorden — forskare kan Orientera inre kompass av bakterier mot nya mål, så som cancer.
Tyvärr, bakterier, MC-1 kan överleva i varma blod bara för 40 minuter, och de flesta av dem är inte tillräckligt stark för att simma mot strömmen av blod. Martel vill skapa en hybrid-system från bakterier och fett bubblor. Blåsor laddad med magnetiska partiklar och bakterier kommer att placeras in i ett större fartyg, med starka magnetiska fält, tills du når en mer smal. Då brast de och släppa en svärm av bakterier, som är exakt samma, med svaga magnetiska fält kommer att slutföra din resa.
Framåt
Även om forskarna skissade på en massa idéer om framdrivning, ett stort problem är spårning av robotar efter införandet i kroppen.
Kombinationen av olika metoder för visualisering kan hjälpa till. Ultraljud, MRI-och infraröd bildbehandling är för långsam för att observera verksamheten av robotar djupt i kroppen. Men att kombinera ljus, ljud och elektromagnetiska vågor, vi kan öka den upplösning och känslighet.
I den idealisk för visualisering metod bör kunna spåra micromotor på ett djup av 10 cm under huden, i 3D och i realtid, rör sig med en hastighet på minst tiotals mikrometer per sekund, säger de Medina-sánchez och Schmidt.
Just nu är det svårt att uppnå, men forskarna hoppas att de toppmoderna opto-akustiska metoder för att kombinera ir och ultraljud bilden kan vara tillräckligt bra för att spåra micro-robotar i ett par år.
Och då är det frågan om vad man ska göra med robotar i slutet av sin mission. Lämna dem att glida inuti kroppen — medel för att förhindra uppkomsten av blodproppar eller andra katastrofala biverkningar som förgiftning metall. Tillbaka roboten tillbaka till startpunkten (mun, ögon och andra naturliga öppningar) kan vara alltför komplicerat. Därför forskarna anser att det finns bättre alternativ: att integrera robotar på ett naturligt sätt eller göra dem från biologiskt nedbrytbart material.
Den senare har ett enda plus: om det material som är känsliga för värme, syra, eller andra fysiska faktorer som kan användas för att skapa Autonoma bio-robotar som fungerar utan batterier. Till exempel forskare har redan gjort en liten stjärnformad “vantar”, som är stängda runt vävnaden när de utsätts för värme. När den placeras runt den drabbade organ eller vävnader, vantar skulle kunna producera en biopsi på plats, erbjuda en mindre invasiv metod för screening för tjocktarmscancer eller spårning av kronisk inflammatorisk tarmsjukdom.
“Målet är att skapa micro robotar som kan känna av, diagnostisera och agera självständigt, så länge folk kommer att titta på dem och behålla kontrollen i händelse av fel, säger Medina-sánchez och Schmidt.
En fantastisk resa för medicinsk mikro-robotar är bara början.
Alla kombinationer av material, mikrostrukturer och mikroorganismer har fortfarande att testa oändligt för att garantera deras säkerhet, först på djur och sedan på människor. Forskarna också räkna med stöd från reglerande myndigheter.
Men optimism forskare inte torka ut.
“Med hjälp av samordnade initiativ microrobots kan leda oss i en tid präglad av icke-invasiva behandlingsmetoder för tio år”, säger forskarna.
Microsurgeons som snart kommer att vandra i vår kropp
Ilya Hel