Хирурзи ће ускоро распоредити армију ситних робота који ће изводити микрохируршке операције по телу. Иако ово може изгледати као научна фантастика , истраживачки тим са Универзитета Дрекел развио је микро-роботску технологију која се сматра важном мисијом - бушење кроз зачепљене артерије.
Атријални плакови се формирају када се масти, холестерол, калцијум и друге материје таложе на унутрашњим зидовима артерија, које носе крв по телу. Временом се те артерије стврдњавају и сужавају. Овај процес назван атеросклероза ограничава способност крви богате кисеоником да дође до виталних органа и повећава ризик за срчани удар или мождани удар. Иако је узрок атеросклерозе непознат, комбинација навика (као што су ниво активности, пушење и исхрана), генетски фактори ризика и старост доприносе његовом развоју. Два конвенционална хируршка приступа за блокиране артерије су ангиопластика и бипасс операција. За време ангиопластике, васкуларни хирург надува мали балон унутар крвне жиле и убацује металну мрежасту цев названу стент да држи артерије отворенима и побољша проток крви. Супротно томе, бајпас операција укључује преусмеравање протока крви коришћењем деблокираних вена или артерија да би се заобишла сужена артерија.
Ова нова иновација у наномедицини, међутим, има облик малих микро-перлица које се спајају у формирање структуре која наликује чеповима, способног за кретање кроз издајничке воде васкуларног система тела. Микро-пливачи су направљени од сићушних зрнца жељезног оксида малих 200 нанометара, повезаних у ланцу. Ове перле су „састављене од неорганских, биокомпатибилних материјала који неће изазвати имунолошки одговор“, каже МинЈун Ким, професор са инжењерског колеџа Универзитета Дрекел.
Да би изазвао кретање кроз крвоток, ланац је изложен фино калибрисаном спољном магнетном пољу. Ротација овог поља узрокује да ланац формира вијугасту спиралну структуру која се сама пробија кроз крвоток. Својства овог магнетног поља такође помажу у контроли брзине, смера и величине ланца микроплаваца (који утичу на силу којом се креће) на основу природе оклузије артерија.
"Употреба микро-робота у медицини је заиста потпуно ново поље, за које је потребна снажна мултидисциплинарна позадина истраживања", каже Ким.
Јединствени дизајн микроплаваца инспирисан је само природом - микроорганизмом званим Боррелиа бургдорфери . (Универзитет Дрекел) Јединствени дизајн микроплаваца инспирисан је само природом - микроорганизмом званим Боррелиа бургдорфери . Спирална структура ове бактерије, која је одговорна за изазивање лајмске болести, омогућава јој да се лако инфилтрира у телесне течности и нанесе широку штету.
Да би уклонили артеријске плакове, научници ће користити катетер за испоруку микроплаваца и ситну васкуларну бушилицу како би очистили оклузивну артерију. Након размештања, микропливачи ће покренути почетни напад отпуштајући очврснуту плочу, што ће заузврат завршити хируршким вежбањем. Након операције, биоразградиве куглице су дизајниране тако да пуштају антикоагулансне лекове у крвоток како би се помогло да се ублажи будуће накупљање плака.
"Тренутни третмани хроничне тоталне оклузије успевају само око 60 процената", рекла је Ким у саопштењу за штампу . „Верујемо да би метода коју развијамо могла да буде успешна чак од 80 до 90 одсто и, вероватно, да скрати време опоравка.“
За микроплаваче, истраживачи су користили асиметричне структуре од три сићушне куглице гвожђе-оксида. (Универзитет Дрекел) Истраживачки тим морао је да преброди неколико изазова за развој функционалних робота у таквој микроскопској скали. "Микроскопски свет је потпуно другачији од макроскопског света у којем сви живимо", каже Ким. „Инерцију користимо за кретање у макроскопском свету, али на микроскопском нивоу инерција није корисна за кретање.“ Као резултат тога, научници су морали да користе асиметричне (или киралне) структуре за микропливаче. „Ми можемо створити микроплаваче са једним и два перла, али када применимо магнетно поље они се уопште не могу померати јер су њихове структуре симетричне. Дакле, да бисмо створили несиметричну структуру, требало нам је користити најмање три перле “, каже Ким.
Још једна препрека са којом су се истраживачи суочила била су сложна својства течности у крви. За разлику од воде, крв се назива не-њутонска течност, што значи да њен вискозитет (или отпорност на проток) течности није директно пропорционалан брзини којом тече. Као резултат тога, алгоритми за контролу микроплаваца које су Ким и његов тим развили заснивали су на нелинеарној динамици флуида и много су сложенији. "Ова нелинеарна контрола знатно отежава манипулацију роботима на микро скали", каже Ким.
Научници из Дрекела придружили су се научном и технолошком институту Даегу Гиеонгбук како би проширили ову технологију за свакодневну употребу од стране кардиоваскуларних хируршких тимова. До сада су микро пливачи тестирани само у вештачким крвним судовима. Међународни истраживачки напор, пројекат вредан 18 милиона долара који је финансирао Корејски институт за индустријску технологију, запослио је врхунске инжењере из 11 других институција у Сједињеним Државама, Кореји и Швајцарској. Надају се да ће технологију имати у клиничким испитивањима на људима у року од четири године.
Поред употребе микроплаваца као водоводних уређаја за артерије, истраживачи истражују и друге потенцијалне биомедицинске примене, као што су усмеренија терапија лековима и технологија снимања веће резолуције. "На пример, куглице би се могле користити за продор директно у тешко доступне ћелије рака рака где ће лек бити пуштен у циљ, чиме се максимизира ефикасност лека", каже Ким.
Кимово интересовање за област нанотехнологије изазвало је научнофантастични филм из 1966. године Фантастично путовање и његов римејк Иннерспаце режиран од Стевена Спиелберга. Оба ова филма укључују минијатуризацију подморнице којом управља човек која се након тога убризгава у људско тело током животне мисије.
"Гледао сам Иннерспаце током средње школе 1987. Филм садржи бројне концепте микро-роботике и наномедицине који су послужили као инспирација и мени и другим истраживачима у овој области", каже Ким. "Узбуђен сам што сам део пројекта који је укључен у спровођење ове научне фантастике."
