Mikroroboti veličine bakterije s daljinskim upravljanjem za medicinske potrebe

0
503

Znanstvenici iz EPFL-a i ETHZ-a 2016. godine objavom svog znanstvenog rada pokazali su da su razvili metodu za izgradnju mikrorobota veličine bakterije koji bi se mogli koristiti u tijelu za isporuku lijekova i obavljanje drugih medicinskih operacija.

Posljednjih deset godina znanstvenici širom svijeta proučavali su načine korištenja minijaturnih robota za bolje liječenje raznih bolesti. Roboti su dizajnirani za ulazak u ljudsko tijelo, gdje mogu dostavljati lijekove na određenim mjestima ili izvoditi precizne operacije poput čišćenja začepljenih arterija. Zamjenom invazivne, često komplicirane operacije, znanstvenici tvrde da bi mikroroboti mogli optimizirati medicinu.

Znanstvenik EPFL-a (École polytechnique fédérale de Lausanne) Selman Sakar udružio se s Hen-Wei Huangom i Bradleyem Nelsonom s ETHZ-u kako bi razvili jednostavnu i svestranu metodu za izradu takvih prirodom-nadahnutih robota i njihove opreme s naprednim značajkama. Također su stvorili platformu za testiranje nekoliko različitih dizajna robota i proučavanje različitih načina njihovog kretanja. Njihov znanstveni rad, objavljen u časopisu Nature Communications, prikazao je proizvedene složene mikrokontrolere koji se mogu konfigurirati i proizvesti s velikom propusnošću. Izgradili su integriranu manipulacijsku platformu koja može daljinski upravljati pokretljivošću robota pomoću elektromagnetskih polja i uzrokovati promjenu oblika pomoću topline.

Svestrani planovi tijela mikroorganizama koji se sastoje od (a) različitih dizajna tijela i mehanizama propelera i (b) materijala i arhitektura koji se mogu koristiti za morfološku prilagodbu. (c) Shema šaržne proizvodnje biomimetičkih mekanih mikro strojeva. Ovaj postupak omogućuje fotonaređivanje mikrostruktura različitih oblika, kao i sposobnost učvršćivanja magnetskih nanočestica (MNP) u strukturi. MeKane mikromašine s bičevima s dvoslojnom glavom i jednoslojnim repom izrađuju se uzastopnim fotofotiranjem magnetskih hidrogelnih nanokompozita. Prvo se u mikrofabrikovanu komoru (koja čini potporni sloj) ubrizgava smjesa fotokurabilnog hidrogela koji ne bubri i MNP-a, a u smjeru 1. primjenjuje se jednoliko magnetsko polje. Drugo vrh potpornog sloja i u smjeru 2. primjenjuje se jednoliko magnetsko polje. Konačno, jednoslojni rep ugrađen poravnanim nanočesticama u smjeru 3 pričvršćen je na prethodnu dvoslojnu strukturu istim postupkom. Svaki sloj ima svoju fiksnu magnetsku os označenu magnetskom osom 1 (MA1), magnetskom osom 2 (MA2) i magnetskom osom 3 (MA3). (d) Anizotropno ponašanje bubrenja kontrolirano poravnavanjem MNP-a duž propisanih 3D putova i selektivnim uzorkovanjem potpornih slojeva rezultira u 3D funkcionalnim mikromašinama. Os preklapanja 1 i os presavijanja 2 označavaju smjer preklapanja za svaki odjeljak. Mikromašina posjeduje više različitih magnetskih osi koje određuju pokretljivost kada se magnetsko polje primijeni. Bacani mikro stroj, koji sadrži samostalno sastavljene MNP-ove, izvodi kontrolirano plivanje u 3D prostoru pod homogenim rotirajućim magnetskim poljem. (e) Mekani mikro stroj može se programirati da transformira svoj oblik i izvede drugačiji pogonski mehanizam kada je izložen vanjskom infracrvenom grijanju (NIR). (f – h) Optičke slike bičanih mekanih mikrostrojeva sa složenim planovima tijela. MA1 i MA3 označavaju magnetsku os u glavi, odnosno repu. Šipke skale, 500 μm.

Robot koji izgleda i kreće se poput bakterije

Za razliku od konvencionalnih robota, ti su mikroroboti mekani, fleksibilni i bez motora. Izrađeni su od biokompatibilnog hidrogela i magnetskih nanočestica. Te nanočestice imaju dvije funkcije. Mikroproizvodima daju oblik tijekom proizvodnog procesa i tjeraju ih da se kreću i plivaju kada se primijeni elektromagnetsko polje.

Izgradnja jednog od ovih mikrorobota uključuje nekoliko koraka. Prvo se nanočestice stavljaju u slojeve biokompatibilnog hidrogela. Zatim se primjenjuje elektromagnetsko polje za orijentaciju nanočestica na različitim dijelovima robota, nakon čega slijedi korak polimerizacije za “očvršćavanje” hidrogela. Nakon toga, robot se stavlja u vodu gdje se savija na određene načine, ovisno o orijentaciji nanočestica unutar gela, kako bi se stvorila konačna ukupna 3D arhitektura mikrorobota.

Jednom kad se postigne konačni oblik, elektromagnetsko polje koristi se da robot pliva. Tada, kada se zagrije, robot promijeni oblik i “rasklopi se”. Ovaj pristup izradi omogućio je istraživačima da izrade mikrorobote koji oponašaju bakteriju koja uzrokuje afričku tripanosomijazu, inače još poznatu kao bolest spavanja. Ova bakterija koristi bič za pogon, ali ga skriva jednom kada dospije u krvotok osobe, što čini kao oblik mehanizma preživljavanja.

Istraživači su testirali različite dizajne mikrorobota kako bi smislili jedan koji oponaša ovo ponašanje. Prototip robota predstavljenog u ovom radu ima bič poput bakterije koji mu omogućuje plivanje. Kada se zagrije laserom, dugi bičasti dodatak se omota oko tijela robota i “sakrije se”.

Bolje razumijevanje ponašanja bakterija

“Pokazujemo da i tijelo bakterije, odnosno njen bič igraju važnu ulogu u njezinom kretanju”, rekao je Sakar. “Naša nova proizvodna metoda omogućuje nam testiranje niza oblika i kombinacija kako bismo dobili najbolju sposobnost kretanja za zadani zadatak. Naše istraživanje također pruža dragocjen uvid u to kako se bakterije kreću unutar ljudskog tijela i prilagođavaju se promjenama u svom mikrookruženju.

U vrijeme objave ovoga rada 2016. godine mikroroboti su još uvijek bili u razvoju, a znanstvenici nisu uzeli u obzir nuspojave po živa bića koje ovi mikroroboti mogu imati. “Još uvijek imamo mnogo čimbenika koje moramo uzeti u obzir“, kaže Sakar. “Na primjer, moramo biti sigurni da mikroroboti neće uzrokovati nuspojave kod pacijenata.

Elektronski integrirani, masovno proizvedeni, mikroskopski roboti – https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9; https://www.youtube.com/watch?v=2TjdGuBK9mI

Izvor: Hen-Wei Huang, Mahmut Selman Sakar, Andrew J. Petruska, Salvador Pané, Bradley J. Nelson. Soft micromachines with programmable motility and morphology. Nature Communications, 2016; 7: 12263 DOI: 10.1038/ncomms12263

5 2 votes
Article Rating
Subscribe
Notify of
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments