Ryškų 2006 m. Rudens vakarą daktaras Sylvainas Martelis sulaikė kvėpavimą, kai technikas įkėlė anestezuotą kiaulę į besisukantį fMRI aparatą. Jo akys žvelgė į kompiuterio ekraną, kuriame matėsi plonoje kiaulės kraujagyslėje kabantis magnetinis karoliukas. Įtampa kambaryje buvo jaučiama fiziškai. Staiga balionas atgijo ir nuslydo virš indo kaip mikroskopinis povandeninis laivas, nukreiptas į paskirties vietą. Komanda plojo plojimais.
Martelis ir jo komanda bandė naują būdą nuotoliniu būdu valdyti mažus daiktus gyvo gyvūno viduje, manipuliuodami mašinos magnetinėmis jėgomis. Ir pirmą kartą tai pavyko.
Mokslininkai ir rašytojai jau seniai svajojo apie mažus robotus, kurie juda per didžiulę kūno kraujotakos sistemą, pavyzdžiui, kosmoso tyrinėtojai, tiriantys galaktikas ir jų gyventojus. Potencialas yra didžiulis: maži medicininiai robotai galėtų, pavyzdžiui, pernešti radioaktyvius vaistus į vėžio grupes, atlikti operacijas kūno viduje arba išvalyti kraujo krešulius giliai širdies ar smegenų viduje.
Svajonė, svajonė, bet pasitelkiant robotus, sako dr. Bradley Nelsonas iš Ciuricho politechnikos universiteto, žmonės galėtų pasinerti tiesiai į kraują atlikti smegenų operacijos.
Šiuo metu medicininiai mikrorobotai dažniausiai yra išgalvoti, tačiau tai gali pasikeisti per artimiausią dešimtmetį. Šią savaitę dr. Mariana Medina-Sánchez ir Oliveris Schmidtas iš Leibnizo kietųjų medžiagų ir medžiagų tyrimo instituto Drezdene (Vokietija) paskelbė straipsnį „Nature“, kuris nuo didelių ekranų virto nanoinžinerijos laboratorijomis, nurodydamas prioritetus ir tikroviškus bandymus atgaivinti šiuos mažus chirurgus.
Judančiųjų kūrimas
Medicininiai mikrorobotai yra medicinos kelio į miniatiūrizaciją dalis. 2001 m. Izraelio kompanija pristatė saldainio dydžio plastikinę kapsulę „PillCam“su fotoaparatu, baterija ir belaidžiu moduliu. Keliaudamas per maistinį kanalą, „PillCam“periodiškai atsiuntė vaizdus belaidžiu ryšiu, siūlydamas jautresnį ir mažiau toksišką diagnostikos metodą nei tradicinė endoskopija ar rentgenografija.
Reklaminis vaizdo įrašas:
„PillCam“yra milžiniškas tobulam mikrorobotui, todėl jis tinka tik palyginti plačiam mūsų virškinimo sistemos vamzdeliui. Ši tabletė taip pat buvo pasyvi ir negalėjo užtrukti įdomesnėse vietose, kad būtų galima atlikti išsamesnį tyrimą.
„Tikras medicininis robotas turi judėti ir progresuoti per sudėtingą skysčių pripildytų kanalėlių tinklą giliai kūno audiniuose“, - aiškina Martel.
Kūnas, deja, nėra labai svetingas svečiams. Mikrorobotai turi atlaikyti ėsdinančias skrandžio sultis ir be variklio plaukti prieš srovę kraujyje.
Laboratorijos visame pasaulyje bando sugalvoti protingas alternatyvas mitybos problemai išspręsti. Viena iš idėjų yra sukurti chemines raketas: cilindrinius mikrorobotus su „degalais“- metalu ar kitu katalizatoriumi, kurie reaguoja su skrandžio sultimis ar kitais skysčiais, skleisdami burbulus iš galinės cilindro pusės.
„Šiuos variklius sunku valdyti“, - sako Medina-Sanchez ir Schmidt. Mes galime apytiksliai kontroliuoti jų kryptį naudodami cheminius gradientus, tačiau jie nėra pakankamai tvirti ir veiksmingi. Kuriant netoksišką kurą, pagrįstą cukrumi, karbamidu ar kitais kūno skysčiais, taip pat kyla sunkumų.
Geresnė alternatyva būtų metaliniai fiziniai varikliai, kuriuos galima įjungti keičiant magnetinį lauką. Kaip parodė jo demonstracija karoliukais kiaulėje, vienas pirmųjų tyrinėjo tokius variklius.
MRT aparatas idealiai tinka valdyti ir vaizduoti metalinius prototipinius mikrorobotus, aiškina Martelis. Mašinoje yra keli magnetinių ritinių rinkiniai: pagrindinis rinkinys įmagnetina mikrorobotą, kai jis įvedamas į kraują per kateterį. Tada, manipuliuodami MRT gradiento ritėmis, galime sukurti silpnus magnetinius laukus, kad mikrorobotą išstumtų per kraujagysles ar kitus biologinius vamzdelius.
Vėlesnių eksperimentų metu Martelis pagamino geležies ir kobalto nanodaleles, padengtas vaistu nuo vėžio, ir suleido šiuos mažus kareivius į triušius. Naudodamas kompiuterio programą, kad automatiškai pakeistų magnetinį lauką, jo komanda nukreipė robotus tiesiai į taikinį. Nors šiame konkrečiame tyrime nebuvo jokių faktinių navikų, Martelis sako, kad tokie projektai gali būti naudingi kovojant su kepenų vėžiu ir kitais navikais, kurių indai yra gana dideli.
Kodėl ne maži laivai? Vėlgi problema yra energija. Martelis sugebėjo sutraukti robotą iki kelių šimtų mikrometrų - viskam reikalingi magnetiniai gradientai yra tokie dideli, kad jie sutrikdo smegenų neuronus.
Mikroburgai
Elegantiškesnis sprendimas yra biologinių variklių, kurie jau egzistuoja gamtoje, naudojimas. Bakterijos ir spermatozoidai yra ginkluoti botagų uodegomis, kurios natūraliai varo juos per vingiuotus tunelius ir kūno ertmes, kad būtų įvykdytos biologinės reakcijos.
Derinant mechanines dalis su biologinėmis dalimis, šie du komponentai galėtų priversti vienas kitą papildyti nesėkmei.
Pavyzdys yra spermos botas. Schmidtas sukūrė mažyčius metalinius ritinius, kurie apgaubia tingius spermatozoidus, suteikdami jai judrumą, kad pasiektų kiaušinį. Į spermos ląstelę taip pat galima pakrauti vaistų, susijusių su magnetine mikrostruktūra, siekiant gydyti vėžį reprodukciniame trakte.
Taip pat yra specializuotų MC-1 bakterijų grupių, kurios sutampa su žemės magnetiniu lauku. Sukurdami gana silpną lauką, kurio pakaktų įveikti Žemę, mokslininkai gali nukreipti bakterijų vidinį kompasą link naujo taikinio, pavyzdžiui, vėžio.
Deja, MC-1 bakterijos gali išgyventi šiltame kraujyje tik 40 minučių, ir dauguma jų nėra pakankamai stiprios, kad galėtų plaukti prieš kraują. Martel nori sukurti hibridinę bakterijų ir riebalų pūslių sistemą. Burbulai, apkrauti magnetinėmis dalelėmis ir bakterijomis, bus nukreipti į didesnius indus, naudojant stiprius magnetinius laukus, kol jie pateks į siauresnius. Tada jie sprogo ir išleidžia būrį bakterijų, kurios tokiu pačiu būdu, naudodamos silpnus magnetinius laukus, užbaigs savo kelionę.
Judėti toliau
Nors mokslininkai pateikia daugybę idėjų apie varymą, mikrorobotų stebėjimas, kai jie jau yra implantuoti į kūną, tebėra didžiulis iššūkis.
Padėti gali skirtingų vaizdavimo būdų deriniai. Ultragarso, MRT ir infraraudonųjų spindulių vaizdai yra per lėti, kad būtų galima stebėti giliai kūno esančius mikrorobotus. Bet derindami šviesą, garsą ir elektromagnetines bangas galėtume padidinti skiriamąją gebą ir jautrumą.
Idealiu atveju vaizdavimo technika turėtų sugebėti sekti mikromotorius 10 centimetrų gylyje po oda 3D formatu ir realiuoju laiku, judant mažiausiu greičiu dešimtis mikrometrų per sekundę, sako Medina-Sanchez ir Schmidt.
Šiuo metu to pasiekti sunku, tačiau mokslininkai tikisi, kad pažangiausios optoakustinės technikos, apjungiančios infraraudonųjų spindulių ir ultragarso vaizdus, per kelerius metus gali būti pakankamai geros, kad būtų galima stebėti mikrorobotus.
Tada lieka klausimas, ką daryti su robotais, kai jų misija bus baigta. Palikus juos dreifuoti kūno viduje, atsiranda krešulių ar kitų katastrofiškų šalutinių reiškinių, tokių kaip apsinuodijimas metalais. Robotus sugrąžinti į pradinį tašką (burną, akis ir kitas natūralias angas) gali būti didžiulė. Todėl mokslininkai svarsto geresnes galimybes: pašalinti robotus natūraliu būdu arba sukurti juos iš biologiškai skaidžių medžiagų.
Pastarasis turi atskirą pliusą: jei medžiagos yra jautrios karščiui, rūgštingumui ar kitiems kūno veiksniams, jas galima panaudoti kuriant autonominius biorobotus, kurie veikia be baterijų. Pavyzdžiui, mokslininkai jau pagamino mažus žvaigždės formos „griebtuvus“, kurie, veikiami šilumos, užsidaro aplink audinius. Apimtas aplink sergančius organus ar audinius, griebtuvas gali biopsiją atlikti vietoje, siūlydamas mažiau invazinį storosios žarnos vėžio patikrinimo metodą arba lėtinės uždegiminės žarnos ligos stebėjimą.
"Tikslas yra sukurti mikrorobotus, kurie galėtų suvokti, diagnozuoti ir veikti savarankiškai, o žmonės stebi ir yra kontroliuojami, jei sugenda", - sako Medina-Sanchez ir Schmidt.
Fantastinė medicininių mikrorobotų kelionė dar tik prasideda.
Visus medžiagų, mikroorganizmų ir mikrostruktūrų derinius reikės išbandyti neribotą laiką, kad įsitikintumėte, jog jie pirmiausia yra saugūs gyvūnams, o paskui ir žmonėms. Mokslininkai taip pat laukia reguliavimo institucijų pagalbos.
Tačiau mokslininkų optimizmas neišsausėja.
"Vykdydami suderintas iniciatyvas, mikrorobotai dešimt metų mus gali nuvesti į neinvazinių terapijų erą", - sako tyrėjai.
ILYA KHEL