Kirurgit lähettävät pian armeijan pieniä robotteja suorittamaan mikrokirurgian koko kehossa. Vaikka tämä saattaa tuntua tieteiskirjallisuudelta , Drexelin yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt mikrorobotiteknologian, jota harkitaan tärkeäksi tehtäväksi - poraus tukkeutuneiden valtimoiden läpi.
Eteislevy muodostuu, kun rasvaa, kolesterolia, kalsiumia ja muita aineita kerrotaan valtimoiden sisäseinämiin, jotka kuljettavat verta koko kehon. Ajan myötä nämä verisuonet kovettuvat ja kapenevat. Tämä ateroskleroosiksi kutsuttu prosessi rajoittaa happea sisältävän veren kykyä päästä elintärkeisiin elimiin ja lisää sydänkohtauksen tai aivohalvauksen riskiä. Vaikka ateroskleroosin syytä ei tunneta, tottumusten (kuten aktiivisuus, tupakointi ja ruokavalio), geneettisten riskitekijöiden ja ikän yhdistelmä myötävaikuttaa sen kehitykseen. Kaksi tavanomaista kirurgista lähestymistapaa tukkeutuneille valtimoille ovat angioplastia ja ohitusleikkaus. Angioplastian aikana verisuoni- kirurgi täyttää verisuonen sisäpuolelle pienen pallo ja asettaa stentiksi kutsutun metalliverkkoputken valtimoiden pitämiseksi auki ja parantaa verenvirtausta. Sitä vastoin ohitusleikkaukseen sisältyy veren virtauksen uudelleenreititys käyttämällä vapautettuja suoneita tai valtimoita kapenevan valtimon ohittamiseksi.
Tämä uusi nanolääketieteen innovaatio tapahtuu kuitenkin pieninä mikrohelminä, jotka yhdistyvät muodostaen korkkiruuvin kaltaisen rakenteen, joka pystyy liikkumaan kehon verisuonistojen petollisissa vesissä. Mikrouima-altaat koostuvat pienistä, jopa 200 nanometrin rautaoksidihelmistä, jotka on liitetty ketjuun. Nämä helmet koostuvat "epäorgaanisista, bioyhteensopivista materiaaleista, jotka eivät laukaise immunologista vastetta", sanoo Drexelin yliopiston teknillisen korkeakoulun professori MinJun Kim.
Liikkeen indusoimiseksi verenkierron läpi ketju altistetaan hienosti kalibroidulle ulkoiselle magneettikentälle. Tämän kentän kiertyminen saa ketjun muodostamaan kehrämäisen kierteisen rakenteen, joka ajaa itsensä veren läpi. Tämän magneettikentän ominaisuudet auttavat myös hallitsemaan mikrouima-ketjun nopeutta, suuntaa ja kokoa (vaikuttaen voimaan, jolla se liikkuu) valtimoiden tukkeutumisen luonteen perusteella.
”Mikrorobotien käyttö lääketieteessä on todella uusi alue, joka vaatii vahvaa monitieteistä tutkimustaustaa”, Kim sanoo.
Mikrouima-ainutlaatuisen suunnittelun on inspiroinut luonto itse - mikro-organismi nimeltään Borrelia burgdorferi . (Drexel University) Mikrouima-ainutlaatuisen suunnittelun on inspiroinut luonto itse - mikro-organismi nimeltään Borrelia burgdorferi . Tämän bakteerin spiraalirakenne, joka on vastuussa Lymen taudin aiheuttamisesta, sallii sen helposti imeytyä kehon nesteisiin ja aiheuttaa laajoja vaurioita.
Valtimon plakkien poistamiseksi tutkijat käyttävät katetria mikrouimittajien toimittamiseen ja pienen verisuoniporauksen tukkeutuneen valtimon puhdistamiseksi. Käyttöönoton yhteydessä mikrouima-altaat käynnistävät ensimmäisen hyökkäyksen karkaistun plakin löysäämiseksi, joka puolestaan lopetetaan kirurgisella poralla. Leikkauksen jälkeen biohajoavat helmet on suunniteltu vapauttamaan antikoagulantteja lääkevirtaan auttamaan tulevan plakin muodostumista.
"Nykyiset kroonisen täydellisen tukkeutumisen hoitomenetelmät ovat vain noin 60 prosenttia onnistuneita", Kim sanoi lehdistötiedotteessa . "Uskomme, että kehittämämme menetelmä voi olla jopa 80-90 prosenttia onnistunut ja lyhentää palautumisaikaa."
Mikrouimareissa tutkijat käyttivät kolmen pienen rautaoksidihelmen epäsymmetrisiä rakenteita. (Drexel University) Tutkimusryhmän oli ylitettävä useita haasteita kehittääkseen toimivia robotteja sellaisessa mikroskooppisessa mittakaavassa. "Mikroskooppinen maailma on täysin erilainen kuin makroskooppinen maailma, jossa me kaikki elämme", Kim sanoo. ”Käytämme hitautta liikkuaksesi makroskooppisessa maailmassa, mutta mikroskooppisella tasolla hitaus ei ole hyödyllinen liikkumiselle.” Seurauksena on, että tutkijoiden oli käytettävä asymmetrisiä (tai kiraalisia) rakenteita mikrouimareihin. ”Voimme luoda yksipalloisia ja kaksipalloisia mikrouima-altaita, mutta magneettikentää levitettäessä ne eivät voi liikkua ollenkaan, koska niiden rakenteet ovat symmetrisiä. Joten epäsymmetrisen rakenteen luomiseksi meidän oli käytettävä ainakin kolmea helmeä ”, Kim sanoo.
Toinen este tutkijoille oli veren monimutkaiset nesteominaisuudet. Toisin kuin vettä, verta kutsutaan ei-newtonilaiseksi nesteeksi, mikä tarkoittaa, että sen nesteen viskositeetti (tai virtausvastus) ei ole suoraan verrannollinen sen virtausnopeuteen. Tämän seurauksena Kimin ja hänen tiiminsä kehittämät mikrouijaajien ohjausalgoritmit perustuivat epälineaariseen nesteiden dynamiikkaan ja olivat paljon yksityiskohtaisempia. "Tämä epälineaarinen ohjaus tekee robottien manipuloinnin mikromittakaavassa paljon vaikeammaksi", Kim sanoo.
Drexel-tutkijat ovat liittyneet Daegu Gyeongbuk -instituuttiin laajentaakseen tätä tekniikkaa jokapäiväiseen käyttöön sydän- ja verisuonikirurgian ryhmissä. Toistaiseksi mikrouimijoita on testattu vain keinotekoisissa verisuonissa. Kansainvälinen tutkimushanke, Korean teollisuusteknologian arviointiinstituutin rahoittama 18 miljoonan dollarin projekti, on rekrytoinut huippuinsinöörejä 11 muusta instituutiosta Yhdysvalloissa, Koreassa ja Sveitsissä. He toivovat saavansa teknologian ihmisten kliinisissä tutkimuksissa neljän vuoden kuluessa.
Mikrouimijoiden käytön lisäksi valtimoiden putkistolaitteina tutkijat ovat tutkineet muita potentiaalisia lääketieteellisiä sovelluksia, kuten kohdennetumpia lääkehoitoja ja korkeamman resoluution kuvantamistekniikkaa. "Esimerkiksi helmiä voitaisiin käyttää tunkeutumaan suoraan vaikeasti tavoitettavissa syöpäkasvainsoluihin, joissa lääke vapautuu kohteeseen, maksimoiden siten lääkkeen tehokkuuden", Kim sanoo.
Kim: n kiinnostus nanoteknologian alalla herätti vuoden 1966 fantastisen elokuvan Fantastic Voyage ja sen Steven Spielbergin ohjaaman uusinnan Innerspace . Molemmat elokuvat sisältävät ihmisen ohjaaman sukellusveneen miniatyyrisoinnin, joka ruiskutetaan myöhemmin ihmiskehoon hengenpelastustehtävällä.
"Katselin Innerspacea lukion ollessa lukiossa vuonna 1987. Elokuva sisältää lukuisia mikrorobotiikan ja nanolääketieteen käsitteitä, jotka ovat inspiroineet sekä itseäni että muita alan tutkijoita", Kim sanoo. "Olen innoissani siitä, että olen osa hanketta, jonka tarkoituksena on tuoda tämä tieteellinen fiktio todellisuuteen."
