Lyse efteråret nat i 2006 Dr. Sylvain Martel holdt sin ånde, når teknikeren læsset grisen under Generel anæstesi i en roterende maskine, fMRI. Hans øjne stirrede på den computer skærm, der viste et magnetisk perle, der hænger i tynde blodkar af en gris. Spændingen i rummet kunne mærkes fysisk. Pludselig, bolden kom til live og gled på tværs af skibet, som en mikroskopisk ubåd til destinationen. Holdet brød med bifald.
Martel og hans team har afprøvet en ny metode til fjernbetjening de små ting i, levende dyr, ved at manipulere de magnetiske kræfter af maskinen. For første gang, og det virkede.
Forskere og forfattere har længe drømt om bittesmå robotter, der bevæger sig gennem det store kredsløb af kroppen, som den plads, forskere at studere galaksen og deres indbyggere. Potentialet er enormt: lille medicinske robotter kunne, for eksempel, overførsel af radioaktive stoffer i kræft klynger, der udfører operationer inde i kroppen, eller det klart, blodpropper, dybt i hjertet eller hjernen.
En drøm er en drøm, men med hjælp af robotter, siger Dr. Bradley Nelson fra det Polytekniske Universitet i Zürich, folk ville dykke lige ind i blodbanen, gennemføre operationer på hjernen.
I det øjeblik, medicinsk mikro-robotter for det meste er fiktive, men i det næste årti, som kan ændre sig. I denne uge Dr. Mariana Medina-Sanchez og Oliver Schmidt fra Institut for forskning af faste stoffer og materialer Leibniz i Dresden, Tyskland, offentliggjort et papir i Naturen, som vendte væk fra store skærme og nanoengineering laboratorier, der beskriver prioriteringer og realistisk forsøg på at genoplive disse små kirurger.
At skabe fremdrift
Medicinsk mikro-robotter er en del af rejsen af medicin inden for miniaturisering. I 2001, har den Israelske selskab introducerede PillCam — en plastik kapsel størrelsen af en candy bar, udstyret med et kamera, batteri og trådløs overførsel af data. Rejser mad kanal, PillCam regelmæssigt sendt tilbage billeder trådløst, der tilbyder en mere følsom og mindre giftige metode til diagnosticering end traditionelle endoskopi eller røntgen.
Størrelsen PillCam er bare gigantisk for en perfekt microrobot, som gør den velegnet kun for relativt brede rør vores fordøjelsessystem. Denne tablet er også passiv og ikke var i stand til at bo i interessante steder for en mere detaljeret gennemgang.
“En reel medicinsk robot brug for at bevæge sig og rykke frem i et komplekst netværk af væske-fyldt rør i væv dybt i kroppen,” forklarer Martel.
Kroppen, desværre, der er ikke meget venligt til gæster udefra. Robotter skal være i stand til at modstå den ætsende gastrisk saft og sejle opstrøms i blodbanen uden motor.
Laboratorier rundt omkring i verden forsøger at komme op med rimelige alternativer til at løse problemer med fødevarer. En af ideerne er at skabe en kemisk missil: en cylindrisk mikro-robotter med brændstof — metal eller anden katalysator, som reagerer med gastrisk saft, eller andre væsker, der udsender bobler fra bagsiden af flasken.
“Disse motorer er svært at kontrollere,” siger Medina-sánchez og Schmidt. Vi kan nogenlunde styre deres retning ved hjælp af kemiske gradienter, men de er ikke hårdføre og effektiv. Design af ikke-giftige brændstof baseret på sukker, urinstof eller andre fysiologiske væsker af organismen, for, står over for udfordringer.
Et bedre alternativ ville være en metal fysiske motorer, som kunne aktiveres af en magnetisk felt ændres. Martel, som vist ved sin demonstration med en perle i den gris, som var en af de første til at studere disse motorer.
MRI-maskine er ideel til visualisering og kontrol af metal prototyper af mikro-robotter, forklarer Martel. Maskinen har flere sæt af magnetiske spoler: de grundlæggende magnetizes den microrobot efter det er sprøjtet ind i blodbanen gennem kateteret. Derefter, ved at manipulere gradient spoler af MRI, kan vi generere et svagt magnetisk felt til at skubbe microrobot gennem blodårerne eller andre biologiske rør.
I de efterfølgende eksperimenter, Martel gjorde nanopartikler af jern og kobolt, dækket med anticancer lægemiddel injiceres disse små soldater i kaniner. Ved hjælp af et edb-program til automatisk ændring af det magnetiske felt, hans hold sendt bots lige på målet. Selv om der i denne særlige undersøgelse, ikke var ægte tumorer, Martel siger, at sådanne projekter kan være nyttige i kampen mod leverkræft og andre tumorer med relativt store skibe.
Hvorfor ikke mindre fartøjer? Igen, problemet med energi. Martel var i stand til at reducere robotten til et par hundrede mikrometer eller mindre, så kræver et stort magnetiske gradienter, som er dem, der forstyrre driften af neuroner i hjernen.
Microcable
En mere elegant løsning er at bruge biologiske motorer, som allerede findes i naturen. Bakterier og sædceller haler er bevæbnet lystopadovyi, der naturligt fremme dem gennem snoede tunneller og hulrum i kroppen til at udføre biologiske reaktioner.
Ved at kombinere mekaniske dele med biologiske dem, ville det være muligt at lave disse to dele supplerer hinanden, når man fejler.
Et eksempel er spermbath. Schmidt har udviklet små metal spoler, der er ombrudt omkring en “doven” sædceller, der giver ham den mobilitet, som gør det muligt at nå frem til ægget. Sædceller kan også være fyldt med lægemidler, der er forbundet med den magnetiske mikrostruktur til behandling af kræft i forplantningsorganerne.
Der er stadig en specialiseret gruppe af bakterier, MC-1, hvilket stemmer overnes med det magnetiske felt på Jorden. At generere en forholdsvis svagt felt — som vil være nok til at overvinde jorden — forskere kan Orientere den indre kompas af bakterier mod nye mål, såsom kræft.
Desværre, bakterier, MC-1 kan overleve i varme blod kun i 40 minutter, og de fleste af dem er ikke stærk nok til at svømme mod strømmen af blod. Martel ønsker at skabe en hybrid system fra bakterier og fedt bobler. Blærer fyldt med magnetiske partikler og bakterier, vil blive placeret i et større fartøj, med stærke magnetiske felter, indtil du kommer til en mere snæver. Så de brister, og slip en sværm af bakterier, som er præcis den samme, med svage magnetiske felter, der vil fuldføre din rejse.
Bevæger sig fremad
Selv om forskerne skitseret en masse ideer om fremdrift, et enormt problem er sporing af robotter efter indførelse i kroppen.
Kombinationen af forskellige visualisering metoder, der kan hjælpe. Ultralyd, MR-og infrarød billeddannelse er for langsom til at observere operationer med robotter dybt i kroppen. Men ved at kombinere lys, lyd og elektromagnetiske bølger, kunne vi øge opløsning og følsomhed.
I den ideelle visualisering metode bør være i stand til at spore micromotor i en dybde af 10 cm under huden, i 3D og rigtige tidspunkt, bevæger sig med en hastighed på mindst ti mikrometer per sekund, de siger Medina-sánchez og Schmidt.
I det øjeblik det er vanskeligt at opnå, men forskerne håber, at state of the art opto-akustiske metoder til at kombinere infrarød og ultralyd billede kan være godt nok til at spore mikro-robotter i et par år.
Og så er der spørgsmålet om, hvad der har at gøre med de robotter, der i slutningen af deres mission. Forlade dem til at glide inde i kroppen — midler til at forhindre forekomsten af blodpropper eller andre katastrofale bivirkninger som forgiftning metal. Vende tilbage robotten tilbage til udgangspunktet (mund, øjne, og andre naturlige åbninger), der kan være for kompliceret. Derfor, forskere mener, bedre muligheder for integration af robotter på en naturlig måde eller gøre dem fra biologisk nedbrydelige materialer.
Sidstnævnte har en enkelt plus: hvis de materialer, der er følsomme over for varme, surhedsgrad, eller andre fysiske faktorer, der kan bruges til at skabe Autonome bio-robotter, der fungerer uden batterier. For eksempel, forskere har allerede lavet en lille stjerne-formet “luffer”, der er lukket omkring væv, når de udsættes for varme. Når den er placeret rundt om de berørte organer eller væv, luffer kunne producere en biopsi på stedet, der tilbyder en mindre invasiv metode til screening for kræft i tyktarmen eller sporing af kronisk inflammatorisk tarmsygdom.
“Målet er at skabe mikro-robotter, der kan fornemme, diagnosticere og handle selvstændigt, så længe folk vil se dem og holde kontrol i tilfælde af fejl,” siger Medina-sánchez og Schmidt.
En fantastisk rejse for medicinsk mikro-robotter er bare begyndelsen.
Alle kombinationer af materialer, mikrostrukturer og mikro-organismer, der stadig har til test i det uendelige med at sikre deres sikkerhed, først på dyr og derefter på mennesker. Forskerne forventer også, at bistand fra de regulerende myndigheder.
Men optimisme forskere ikke tørre ud.
“Med hjælp af koordinerede initiativer microrobots kan lede os i den æra af non-invasive metoder til behandling af ti år,” siger forskerne.
Microsurgeons, som snart skal vandre i vores krop
Ilya Hel