Egy fényes őszi estén 2006-ban Dr. Sylvain Martel visszatartotta a lélegzetét, amikor egy technikus érzéstelenítő disznót töltött be egy forgó fMRI-gépbe. A szeme egy számítógép képernyőjét nézte, amelyen egy vékony disznóérben lógó mágneses gyöngy látszott. A helyiség feszültsége fizikailag is érezhető volt. A léggömb hirtelen életre kelt, és átsiklott az edény felett, mint egy mikroszkopikus tengeralattjáró, amely a rendeltetési hely felé tartott. A csapat tapsba tört.
Martel és csapata egy új módszert tesztelt az élő állatok apró tárgyainak távvezérlésére a gép mágneses erőinek manipulálásával. És először működött.
A tudósok és írók már régóta álmodoznak olyan apró robotokról, amelyek a test hatalmas keringési rendszerén mozognak, mint például a galaxisokat és azok lakóit kutató űrkutatók. A potenciál óriási: apró orvosi robotok például radioaktív gyógyszereket juttathatnak át rákfürtökbe, műtétet hajthatnak végre a testen belül, vagy megtisztíthatják a vérrögöket a szív vagy az agy mélyén.
Álom, álom, de robotok segítségével, mondja Dr. Bradley Nelson, a Zürichi Műszaki Egyetem munkatársa, az emberek közvetlenül a véráramba merülhetnek agyi műtétek elvégzésére.
Jelenleg az orvosi mikrorobotok többnyire kitaláltak, de ez a következő évtizedben megváltozhat. Ezen a héten Dr. Mariana Medina-Sánchez és Oliver Schmidt, a németországi Drezdában található Leibniz Szilárdanyag- és Anyagkutató Intézet munkatársa a Nature-ben publikált egy cikket, amely a nagy képernyőkről a nano-mérnöki laboratóriumokra vált, prioritásokat és reális teszteket vázolva felélesztve ezeket az apró sebészeket.
Mozgók létrehozása
Az orvosi mikrorobotok az orvostudomány miniatürizálásba vezető útjának részei. 2001-ben az izraeli vállalat bemutatta a PillCam nevű, cukorka méretű műanyag kapszulát, amely kamerával, akkumulátorral és vezeték nélküli modullal volt felszerelve. A tápcsatornán való utazás során a PillCam rendszeresen küldött vissza képeket vezeték nélkül, érzékenyebb és kevésbé mérgező diagnosztikai módszert kínálva, mint a hagyományos endoszkópia vagy radiográfia.
Promóciós videó:
A PillCam óriási méretű egy tökéletes mikrorobot számára, így csak emésztőrendszerünk viszonylag széles csövéhez illik. Ez a tabletta szintén passzív volt, és nem tudott érdekes helyeken elidőzni a részletesebb vizsgálat érdekében.
"Egy igazi orvosi robotnak a test mélyén lévő szövetekben lévő folyadékkal töltött tubulusok összetett hálózatán keresztül kell haladnia és haladnia" - magyarázza Martel.
A test sajnos nem túl szívesen fogadja a külső vendégeket. A mikrorobotoknak ellen kell állniuk a maró gyomornedveknek, és motor nélkül kell lebegniük a véráramban.
A laboratóriumok világszerte próbálnak ésszerű alternatívákat találni a táplálkozási probléma megoldására. Az egyik ötlet vegyi rakéták létrehozása: hengeres mikrorobotok "üzemanyaggal" - fém vagy más katalizátor -, amelyek reagálnak a gyomornedvvel vagy más folyadékkal, és buborékokat bocsátanak ki a henger hátuljából.
"Ezeket a motorokat nehéz irányítani" - mondja Medina-Sanchez és Schmidt. Nagyjából ellenőrizhetjük irányukat kémiai gradiensek segítségével, de ezek nem elég robusztusak vagy hatékonyak. A nem mérgező üzemanyagok cukor, karbamid vagy más testnedvek alapján történő megtervezése szintén kihívásokkal néz szembe.
Jobb alternatíva lenne a fémes fizikai motorok, amelyek a mágneses mező változásai által aktiválhatók. Martel, amint a gyöngy-disznóban bemutatón bemutatta, az elsők között vizsgálta az ilyen motorokat.
Az MRI gép ideális a mikrorobotok fém prototípusainak vezérléséhez és leképezéséhez - magyarázza Martel. A gépnek több mágneses tekercskészlete van: a fő készlet mágnesezi a mikrorobotot, miután egy katéteren keresztül bejut a véráramba. Ezután az MRI gradiens tekercsek manipulálásával gyenge mágneses mezőket állíthatunk elő, hogy a mikrorobotot ereken vagy más biológiai csöveken keresztül toljuk.
A későbbi kísérletek során Martel rákellenes gyógyszerrel bevont vas- és kobalt-nanorészecskéket készített, és ezeket az apró katonákat nyulakba injektálta. Számítógépes program segítségével a mágneses mező automatikus megváltoztatására csapata a botokat közvetlenül a célpontra irányította. Noha ebben a tanulmányban nem voltak tényleges daganatok, Martel szerint az ilyen projektek hasznosak lehetnek a májrák és más, viszonylag nagy erekkel rendelkező daganatok elleni küzdelemben.
Miért ne kishajók? A probléma ismét az energia. Martel képes volt pár száz mikrométerre zsugorítani a robotot - bármi máshoz szükséges olyan nagy mágneses gradiens, amely megzavarja az agy idegsejtjeit.
Microcyborggs
Elegánsabb megoldás a természetben már létező biológiai motorok használata. A baktériumokat és a spermiumokat ostorfarkokkal látják el, amelyek természetesen kanyargós alagutakon és testüregeken keresztül hajtják őket a biológiai reakciók végrehajtása érdekében.
A mechanikai alkatrészek és a biológiai alkatrészek kombinálásával ez a két alkatrész kiegészítheti egymást, ha meghibásodik.
Ilyen például a spermabot. Schmidt apró fémtekercseket fejlesztett ki, amelyek körbefuttatják a lusta spermiumokat, ezáltal mobilitást biztosítva a petesejt eléréséhez. A sperma a mágneses mikrostruktúrához kapcsolódó gyógyszerekkel is terhelhető a reproduktív traktus rákjainak kezelésére.
Az MC-1 baktériumok speciális csoportjai is vannak, amelyek igazodnak a Föld mágneses mezőjéhez. Egy viszonylag gyenge mező létrehozásával - amely elegendő a Föld legyőzéséhez - a tudósok a baktériumok belső iránytűjét egy új célpont, például a rák felé orientálhatják.
Sajnos az MC-1 baktériumok csak 40 percig tudnak túlélni meleg vérben, és a legtöbb nem elég erős ahhoz, hogy a véráram ellen úszhasson. Martel egy hibrid baktérium- és zsírhólyagrendszert akar létrehozni. A mágneses részecskékkel és baktériumokkal megrakott buborékokat erősebb mágneses mezők segítségével nagyobb edényekbe vezetik, amíg azok be nem jutnak a keskenyebbekbe. Aztán felrobbantak és felszabadítják a baktériumok rajját, amelyek ugyanúgy, gyenge mágneses mezőket felhasználva, befejezik útjukat.
Haladni előre
Míg a tudósok egy csomó ötletet vázoltak fel a meghajtással kapcsolatban, a mikrorobotok nyomon követése, miután beültették őket a testbe, továbbra is hatalmas kihívás.
Különböző képalkotó technikák kombinációi segíthetnek. Az ultrahang, az MRI és az infravörös képalkotás túl lassú ahhoz, hogy megfigyeljük a test mélyén található mikrorobotok működését. De a fény, a hang és az elektromágneses hullámok kombinálásával növelhetjük a felbontást és az érzékenységet.
Ideális esetben egy képalkotó technikának képesnek kell lennie a bőr alatti 10 centiméteres mikromotorok 3D-ben és valós időben történő követésére, másodpercenként legalább tíz mikrométeres sebességgel mozogva - mondja Medina-Sanchez és Schmidt.
Jelenleg ezt nehéz elérni, de a tudósok remélik, hogy a legmodernebb optoakusztikus technikák, amelyek egyesítik az infravörös és ultrahangos képalkotást, néhány év múlva elég jók lehetnek a mikrorobotok nyomon követésére.
És akkor marad a kérdés, mit kezdjünk a robotokkal a küldetésük végén. A test belsejébe sodródás lehetővé teszi az alvadások vagy más katasztrofális mellékhatások, például a fémmérgezés lehetőségét. A robotok visszahelyezése kiindulópontjukba (száj, szem és egyéb természetes nyílások) elsöprő lehet. Ezért a tudósok jobb lehetőségeket fontolgatnak: robotok természetes eltávolítását vagy biológiailag lebomló anyagokból történő létrehozását.
Ez utóbbinak külön plusza van: ha az anyagok érzékenyek a hőre, a savasságra vagy más testi tényezőkre, fel lehetne használni az akkumulátorok nélkül működő autonóm biorobotok létrehozására. Például a tudósok már készítettek olyan kis csillag alakú "fogókat", amelyek hő hatására bezáródnak a szövetek körül. Az érintett szervek vagy szövetek köré helyezve a markoló in situ biopsziát végezhet, kevésbé invazív módszert kínálva a vastagbélrák szűrésére vagy a krónikus gyulladásos bélbetegségek nyomon követésére.
"A cél olyan mikrorobotok létrehozása, amelyek képesek érzékelni, diagnosztizálni és önállóan cselekedni, miközben az emberek meghibásodás esetén figyelnek és ellenőrzés alatt maradnak" - mondta Medina-Sanchez és Schmidt.
Az orvosi mikrorobotok fantasztikus útja még csak most kezdődik.
Az anyagok, mikroorganizmusok és mikrostruktúrák minden kombinációját korlátlan ideig tesztelni kell, hogy megbizonyosodjon arról, hogy biztonságban vannak-e először állatokon, majd embereken is. A tudósok a szabályozók segítségét is várják.
De a tudósok optimizmusa nem szárad ki.
"Összehangolt kezdeményezések révén a mikrorobotok tíz évre elvezethetnek bennünket a nem invazív terápiák korszakába" - állítják a kutatók.
KHEL ILYA