Heller Herbstabend 2006 Dr. sylvain Martel hielt den Atem an, wenn der Techniker tauchte das Schwein unter Narkose in einem sich drehenden Maschine fMRI. Seine Augen starrten auf den Bildschirm des Computers, die zeigte, dass die magnetische Perle, die hängend in einem dünnen Blutgefäß des Schweins. Die Spannung im Raum war körperlich zu spüren. Plötzlich ist der Ball lebendig und rutschte über das Schiff, wie die mikroskopische U-Boot, das nächste zum Ziel. Das Team Applaus ausbrach.
Martel und sein Team erlebt eine neue Möglichkeit der Fernbedienung winzigen Gegenständen im inneren des lebendigen Tieres, durch die Manipulation der magnetischen Kräfte der Maschine. Und zum ersten mal hat es funktioniert.
Wissenschaftler und Schriftsteller geträumt von winzigen Robotern, die ein Ausgedehntes Kreislaufsystem des Körpers, wie ein Weltraum-Forscher, die die Galaxie und Ihre Bewohner. Das Potenzial ist riesig: kleine medizinische Roboter könnten zum Beispiel das übertragen von radiopharmazeutika in Krebszellen ansammeln, die Vorgänge im inneren des Körpers reinigen oder Blutgerinnsel, die sich tief im inneren des Herzens oder des Gehirns.
Ein Traum ein Traum, aber mit Hilfe von Robotern, sagt Dr. Bradley Nelson von der Polytechnischen Universität von Zürich, die Leute könnten Tauchen direkt in den Blutstrom, die Durchführung von Operationen am Gehirn.
Im Moment ist die medizinische микророботы zum größten Teil fiktiv, aber in den nächsten zehn Jahren kann sich das ändern. In dieser Woche Dr. Mariana Medina-Sanchez und Oliver Schmidt vom Institut für Untersuchungen von Festkörpern und Materialien Leibniz in Dresden, Deutschland, veröffentlicht die Arbeit in der Natur, in dem abwenden von größeren Bildschirmen zu наноинженерным Labors, in dem er Prioritäten und realistische Tests zur Wiederbelebung dieser winzigen Chirurgen.
Erstellen Mover
Medizinische микророботы sind Teil der Reise-Medizin im Bereich der Miniaturisierung. Im Jahr 2001 stellte das israelische Unternehmen PillCam — Kunststoff-Kapsel in der Größe mit Süßigkeiten, mit einer Kamera, einer Batterie und dem Modul der drahtlosen Datenübertragung. Reisen in Essen-Kanal, PillCam in regelmäßigen Abständen wieder aufnahm Bild kabellos, bietet eine sensitive und weniger toxisches Verfahren zur Diagnose, als die traditionelle Endoskopie oder Röntgen.
Durch die Größe der PillCam nur eine gigantische für den perfekten микроробота, was macht es geeignet nur für relativ breiten Röhre Verdauungssystem. Diese Tablette war auch passiv und konnte nicht Verweilen an interessanten Standorten für eine eingehendere Prüfung.
«Ein echter medizinischer Roboter bewegen muss und bewegen sich in einem komplexen Netzwerk von flüssigkeitsgefüllten Röhrchen tief in den Geweben im Körper», erklärt Martel.
Der Körper ist leider nicht sehr freundlich zu den Gästen von außen. Микророботы standhalten ätzende Magensäfte und schwimmen stromaufwärts im Blutstrom ohne Motor.
Labors auf der ganzen Welt versuchen, sich mit angemessenen alternativen für die Lösung des Problems mit der Ernährung. Eine der Ideen besteht darin, eine Chemische Raketen: zylindrische микророботов mit «Treibstoff» — einem metallischen oder einem anderen Katalysator für die Reaktion mit den magensäften oder anderen Flüssigkeiten, emittierende Blasen von der Rückseite des Zylinders.
«Solche Motoren schwer zu kontrollieren», sagt Medina-Sanchez und Schmidt. Wir können grob verwalten Ihre Richtung, unter Verwendung des chemischen Gradienten, aber Sie sind nicht ausreichend winterhart und effektiv. Design nicht-toxischen Treibstoff auf der Basis von Zucker, Harnstoff oder anderen physiologischen Flüssigkeiten des Körpers ist auch mit Schwierigkeiten konfrontiert.
Eine Alternative besser wäre Metall physikalische моторчики, die man aktivieren änderungen des magnetischen Feldes. Martel, wie gezeigt, seine Demonstration mit бусиной in Schwein, war einer der ersten, die recherchiert ähnliche Motoren.
MRI-Maschine ist ideal für die Verwaltung und Visualisierung von Metall-Prototypen микророботов, erklärt Martel. Die Maschine hat mehrere Sätze von magnetischen Spulen: Basissatz magnetisiert микроробота, nachdem er injiziert in die Blutbahn durch einen Katheter. Dann durch die Manipulation градиентными Spulen MRI, können wir erzeugen schwache Magnetfelder, um ein anstoßen микроробота durch Blutgefäße oder andere biologische Röhre.
In den nachfolgenden Experimenten Martel Tat Nanopartikel aus Eisen und Kobalt, beschichtet mit Anti-Krebs-Medikament, und führte diesen winzigen Soldaten in Kaninchen. Unter Verwendung eines Computerprogramms zur automatischen änderung des Magnetfeldes, sein Team leitete die Bots direkt am Ziel. Obwohl in dieser Studie keine echten Tumoren, Martel sagt, dass ähnliche Projekte nützlich sein können im Kampf mit Leberkrebs und anderen Tumoren mit einer relativ großen Gefäßen.
Warum nicht kleine Schiffe? Das Problem wieder in Energie. Martel konnte verkürzen Roboter bis zu mehreren hundert Mikrometern — etwas weniger erfordert so großen magnetischen Gradienten, dass die stören die Arbeit der Neuronen im Gehirn.
Микрокиборги
Elegantere Lösung — verwenden biologische Motoren, die bereits existieren in der Natur. Bakterien und Spermien bewaffnet хлыстоподобными Schwänzen, die auf Natürliche Weise fördern Sie durch die verwinkelten Tunnel und Höhlen des Körpers für die Durchführung der biologischen Reaktionen.
Durch die Kombination der mechanischen Teile mit biologischen, könnte zwingen die beiden Komponente einander ergänzen, wenn einer ausfällt.
Ein Beispiel ist спермбот. Schmidt entwickelte eine kleine Metall-Spiralen, die wickelte um die «faulen» Spermien, indem er ihm Mobilität, um die Eizelle zu erreichen. Sperma auch geladen werden können Medikamente, die im Zusammenhang mit der magnetischen Mikrostruktur, für die Behandlung von Krebs im reproduktiven Trakt.
Noch gibt es eine spezielle Gruppe von Bakterien MC-1, die ausgerichtet in übereinstimmung mit dem Magnetfeld der Erde. Erzeugen ein relativ schwaches Feld — das wäre genug, um die Schwerkraft der Erde zu überwinden — Wissenschaftler orientieren können innere Kompass der Bakterien in Richtung der neuen Ziele wie Krebs.
Leider, Bakterien MC-1 überleben im warmen Blut nur für 40 Minuten, und die meisten von Ihnen sind nicht stark genug, um gegen den Strom zu schwimmen Blut. Martel will eine Hybrid-System aus Bakterien und Fett Blasen. Blasen geladenen magnetischen Partikeln und Bakterien, wird kanalisiert in größere Gefäße, mit Hilfe von starken Magnetfeldern, bis Sie fallen in die schmaleren. Dann platzen Sie und geben Roy Bakterien, die genauso mit Hilfe von schwachen Magnetfeldern, werden beenden Sie Ihre Reise.
Fortschritt
Obwohl die Wissenschaftler errichteten Haufen Ideen Mover, eine große Herausforderung bleibt die Verfolgung микророботов nach der Einführung in den Körper.
Die Kombination von verschiedenen bildgebenden Verfahren kann helfen. Ultraschall, MRT und Infrarot-Visualisierung zu langsam, um Operationen beobachten микророботов tief im Körper. Aber die Kombination von Licht, Klang und elektromagnetische Wellen, konnten wir erhöhen die Auflösung und die Empfindlichkeit.
Im Idealfall ist die Methode der Visualisierung die Möglichkeit haben soll, Mikromotoren in einer Tiefe von 10 Zentimeter unter die Haut, in 3D und Echtzeit, die sich mit der minimalen Geschwindigkeit in Dutzenden von Mikrometern pro Sekunde, sagen Medina-Sanchez und Schmidt.
Im Moment ist dieses schwer zu erreichen, aber die Wissenschaftler äußern die Hoffnung, dass die modernste opto-akustischen Methoden, die Kombination von Infrarot-und Ultraschall-Bild, werden gut genug für die Verfolgung микророботов nach ein paar Jahren.
Und dann bleibt die Frage, was mit Robotern zu tun nach Abschluss Ihrer Mission. Lassen Sie Sie treiben im inneren des Körpers — bedeutet, verhindern das auftreten von Gerinnseln oder anderen katastrophalen Nebenwirkungen wie Vergiftungen Metall. Die Rückkehr der Roboter wieder an der ursprünglichen Stelle (Mund, Augen und andere Natürliche öffnungen) kann schon zu viel sein. Wissenschaftler betrachten daher die Varianten besser: die Ausscheidung von Robotern auf Natürliche Weise oder erstellen Sie aus biologisch abbaubaren Materialien.
Bei dem letzten gibt es ein separates Plus: sofern die Materialien empfindlich gegenüber Hitze, Säure oder anderen körperlichen Faktoren, die Sie könnte für die Erstellung von offline-bioroboter, die ohne Batterien. Beispiel: die Wissenschaftler haben bereits die kleinen sternförmigen «хваталки», die geschlossen sind, um Gewebe bei der Einwirkung von Wärme. Bei der Platzierung um die betroffenen Organe oder Gewebe, хваталки produzieren könnte eine Biopsie an der Stelle, bietet eine weniger invasive Methode des screenings auf Darmkrebs oder Tracking-chronisch-entzündliche Darmerkrankung.
«Ziel ist die Schaffung микророботов, die in der Lage zu fühlen, zu bestimmen und autonom agieren, solange die Leute hinter Ihnen zu beobachten und zu speichern für den Fall einer Kontrolle», sagt Medina-Sanchez und Schmidt.
Die fantastische Reise der medizinischen микророботов nur beginnt.
Alle Kombinationen von Materialien, Mikroorganismen und Mikrostrukturen müssen noch unendlich lange testen, um sicherzustellen, dass Ihre Sicherheit zuerst an Tieren, dann auch an Menschen. Die Wissenschaftler erwarten auch die von Regulierungsbehörden.
Aber der Optimismus der Wissenschaftler nicht versiegt.
«Mit Hilfe von koordinierten Initiativen микророботы kann dazu führen, uns in der ära des nichtinvasiven Behandlungsmethoden bereits seit zehn Jahren», sagen die Forscher.
Микрохирурги, die bald Wandern auf unseren Körper
Ilja Hel