Ateityje terapinių vaistų pristatymas tiksliai ten, kur jų reikia, galėtų būti miniatiūrinių robotų užduotis. Ne maži metaliniai humanoidai ar net biologiškai imituojantys robotai; galvok vietoj mažyčių burbulo pavidalo sferų.
Tokie robotai turėtų ilgą ir sudėtingą reikalavimų sąrašą. Pavyzdžiui, jie turėtų išgyventi kūno skysčiuose, tokiuose kaip skrandžio rūgštys, ir būti kontroliuojami, kad būtų galima tiksliai nukreipti į tikslines vietas. Jie taip pat turi išleisti savo medicininį krovinį tik pasiekę tikslą, o tada būti absorbuojami organizmo nepadarydami žalos.
Dabar visus šiuos langelius pažyminčius mikrorobotus sukūrė Caltech vadovaujama komanda. Naudodama robotus, komanda sėkmingai pristatė terapines priemones, kurios sumažino pelių šlapimo pūslės navikų dydį.
Žurnale pasirodo darbas, apibūdinantis darbą pavadinimu „Vaizdo būdu valdomi biorezorbuojami akustiniai hidrogelio mikrorobotai“. Mokslo robotika.
„Sukūrėme vieną platformą, kuri gali išspręsti visas šias problemas“, – sako Wei Gao, Caltech medicinos inžinerijos profesorius, paveldo medicinos tyrimų instituto tyrėjas ir naujojo dokumento apie robotus, kurį komanda vadina, bendraautorius. biorezorbuojami akustiniai mikrorobotai (BAM).
„Užuot dėję vaistą į kūną ir leidę jam pasklisti visur, dabar galime nukreipti savo mikrorobotus tiesiai į naviko vietą ir išleisti vaistą kontroliuojamu bei efektyviu būdu“, – sako Gao.
Mikro- arba nanorobotų koncepcija nėra nauja. Per pastaruosius du dešimtmečius žmonės kūrė jų versijas. Tačiau iki šiol jų taikymas gyvose sistemose buvo ribotas, nes labai sudėtinga tiksliai perkelti objektus sudėtinguose bioskysčiuose, tokiuose kaip kraujas, šlapimas ar seilės, sako Gao. Robotai taip pat turi būti biologiškai suderinami ir biologiškai rezorbuojami, tai reiškia, kad jie nepalieka nieko toksiško organizme.
Caltech sukurti mikrorobotai yra sferinės mikrostruktūros, pagamintos iš hidrogelio, vadinamo poli(etilenglikolio) diakrilatu. Hidrogeliai yra medžiagos, kurios prasideda skystos arba dervos pavidalu ir tampa kietos, kai juose randamas polimerų tinklas susijungia arba sukietėja.
Ši struktūra ir sudėtis leidžia hidrogeliams išlaikyti didelį kiekį skysčių, todėl daugelis jų yra biologiškai suderinami. Priedų gamybos gamybos metodas taip pat leidžia išorinei sferai nugabenti gydomąjį krovinį į tikslinę kūno vietą.
Siekdamas sukurti hidrogelio receptą ir sukurti mikrostruktūras, Gao kreipėsi į Caltech Julia R. Greer, Ruben F. ir Donna Mettler medžiagų mokslo, mechanikos ir medicinos inžinerijos profesorių, Kavli nanomokslų instituto Fletcher Jones fondo direktorių ir bendradarbius. – straipsnio autorius korespondentas.
Greer’o grupė turi patirties dviejų fotonų polimerizacijos (TPP) litografijos srityje – technikoje, kuri naudoja itin greitus infraraudonųjų spindulių lazerio šviesos impulsus, kad pagal tam tikrą modelį selektyviai ir labai tiksliai susietų šviesai jautrius polimerus. Ši technika leidžia sukurti struktūrą sluoksnis po sluoksnio, primenantį 3D spausdintuvus, tačiau šiuo atveju daug tiksliau ir sudėtingiau.
Greerio grupei pavyko „užrašyti“ arba išspausdinti mikrostruktūras, kurių skersmuo yra maždaug 30 mikronų – maždaug žmogaus plauko skersmens.
„Šią konkrečią formą, šią sferą labai sudėtinga parašyti“, – sako Greeris. „Reikia žinoti tam tikras amato gudrybes, kad sferos nesugriūtų ant savęs. Sugebėjome ne tik susintetinti dervą, kurioje yra visa biofunkcionalizacija ir visi mediciniškai reikalingi elementai, bet ir tiksliai surašyti. sferinė forma su reikiama ertme“.
Galutinėje formoje mikrorobotai įtraukia magnetines nanodaleles ir gydomąjį vaistą išorinėje sferų struktūroje. Magnetinės nanodalelės leidžia mokslininkams nukreipti robotus į norimą vietą naudojant išorinį magnetinį lauką. Kai robotai pasiekia savo tikslą, jie lieka toje vietoje, o vaistas pasyviai išsklaido.
Gao ir jo kolegos suprojektavo mikrostruktūros išorę taip, kad ji būtų hidrofilinė, t. Tačiau vidinis mikroroboto paviršius negali būti hidrofilinis, nes jam reikia sulaikyti oro burbulą, o burbuliukai lengvai subyrėja arba ištirpsta.
Norėdami sukurti hibridinius mikrorobotus, kurių išorė yra hidrofilinė, o viduje – hidrofobiniai arba atsparūs vandeniui, mokslininkai sukūrė dviejų pakopų cheminę modifikaciją.
Pirma, jie prijungė ilgos grandinės anglies molekules prie hidrogelio, todėl visa struktūra tapo hidrofobine. Tada mokslininkai naudojo metodą, vadinamą deguonies plazmos ėsdymu, kad pašalintų kai kurias iš šių ilgos grandinės anglies struktūrų iš vidaus, palikdami išorę hidrofobinę, o vidų – hidrofilinę.
„Tai buvo viena iš pagrindinių šio projekto naujovių“, – sako Gao, kuris taip pat yra Ronaldo ir JoAnne Willens mokslininkas.
„Šis asimetrinis paviršiaus modifikavimas, kai vidus yra hidrofobinis, o išorė yra hidrofilinė, tikrai leidžia mums naudoti daugybę robotų ir ilgą laiką sulaikyti burbulus biofluiduose, tokiuose kaip šlapimas ar serumas.”
Iš tiesų, komanda parodė, kad naudojant šį gydymą burbuliukai gali išlikti net kelias dienas, palyginti su keliomis minutėmis, kurios kitu atveju būtų įmanomos.
Įstrigusių burbuliukų buvimas taip pat yra labai svarbus norint perkelti robotus ir stebėti juos naudojant vaizdus realiuoju laiku. Pavyzdžiui, kad būtų galima varyti, komanda suprojektavo mikroroboto sferą taip, kad būtų dvi cilindro formos angos – viena viršuje ir kita vienoje pusėje.
Kai robotai yra veikiami ultragarso lauko, burbuliukai vibruoja, todėl aplinkinis skystis nuteka nuo robotų pro angą ir varo robotus per skystį. Gao komanda išsiaiškino, kad dviejų angų panaudojimas suteikė robotams galimybę judėti ne tik įvairiuose klampiuose bioskysčiuose, bet ir didesniu greičiu, nei galima pasiekti naudojant vieną angą.
Kiekvienoje mikrostruktūroje yra į kiaušinį panašus burbulas, kuris tarnauja kaip puiki ultragarso kontrastinė medžiaga, leidžianti stebėti robotus realiuoju laiku in vivo.
Komanda sukūrė būdą, kaip sekti mikrorobotus, kai jie juda į savo taikinius, padedami ultragarso vaizdavimo ekspertų Michailo Shapiro, Caltech Maxo Delbrucko chemijos inžinerijos ir medicinos inžinerijos profesoriaus, Howardo Hugheso medicinos instituto tyrėjo; bendraautorius korespondentas Di Wu, mokslininkas ir Caltech DeepMIC centro direktorius; ir bendraautorius Qifa Zhou, USC oftalmologijos ir biomedicinos inžinerijos profesorius.
Paskutiniame vystymosi etape buvo išbandomi mikrorobotai kaip vaistų tiekimo priemonė pelėms, turinčioms šlapimo pūslės navikų. Tyrėjai išsiaiškino, kad keturi terapiniai vaistai, kuriuos mikrorobotai suteikė per 21 dieną, buvo veiksmingesni mažinant navikus nei vaistai, kurių nedavė robotai.
„Manome, kad tai yra labai perspektyvi vaistų tiekimo ir tikslios chirurgijos platforma”, – sako Gao. „Žvelgdami į ateitį, galėtume įvertinti, kaip naudoti šį robotą kaip platformą, skirtą įvairių tipų gydomosioms apkrovoms ar agentams įvairioms sąlygoms pristatyti. Ir ilgainiui tikimės tai išbandyti žmonėms.”