En lys høstkveld i 2006 holdt Dr. Sylvain Martel pusten da en tekniker lastet en bedøvd gris i en roterende fMRI-maskin. Øynene hans så på en dataskjerm som viste en magnetisk perle hengende i et tynt griseblodkar. Spenningen i rommet kunne føles fysisk. Plutselig ble ballongen levende og gled over fartøyet som en mikroskopisk ubåt på vei mot destinasjonen. Teamet brast i applaus.
Martel og teamet hans testet en ny måte å fjernstyre små gjenstander inne i et levende dyr ved å manipulere maskinens magnetiske krefter. Og for første gang fungerte det.
Forskere og forfattere har lenge drømt om små roboter som beveger seg gjennom kroppens enorme sirkulasjonssystem, som romfarere som studerer galakser og deres innbyggere. Potensialet er stort: små medisinske roboter kan for eksempel overføre radioaktive medikamenter til kreftklynger, utføre kirurgi inne i kroppen eller rense blodpropp dypt inne i hjertet eller hjernen.
En drøm, en drøm, men ved hjelp av roboter, sier Dr. Bradley Nelson fra Polytechnic University of Zurich, kunne folk stupe direkte inn i blodet for å utføre hjernekirurgi.
For øyeblikket er medisinske mikro-roboter for det meste fiktive, men dette kan endres i løpet av det neste tiåret. Denne uken publiserte Dr Mariana Medina-Sánchez og Oliver Schmidt fra Leibniz Institute for Solids and Materials Research i Dresden, Tyskland, en artikkel i Nature som gikk fra store skjermer til nanoteknologilaboratorier, og skisserte prioriteringer og realistiske tester for å gjenopplive disse små kirurger.
Opprettelse av movers
Medisinske mikro-roboter er en del av medisinens reise mot miniatyrisering. I 2001 introduserte det israelske selskapet PillCam, en plastkapsel med godteristørrelse utstyrt med kamera, batteri og trådløs modul. Mens du reiser gjennom fordøyelseskanalen, sendte PillCam med jevne mellomrom bilder trådløst, og tilbyr en mer sensitiv og mindre giftig diagnostisk metode enn tradisjonell endoskopi eller radiografi.
Kampanjevideo:
PillCam er gigantisk for en perfekt mikrorobot, noe som gjør at den bare passer til det relativt brede røret i fordøyelsessystemet. Denne pillen var også passiv og kunne ikke ligge på interessante steder for en mer detaljert undersøkelse.
"En ekte medisinsk robot må bevege seg og utvikle seg gjennom et komplekst nettverk av væskefylte rør i vev dypt i kroppen," forklarer Martel.
Kroppen er dessverre ikke veldig imøtekommende for gjester utenfor. Mikro-roboter må tåle etsende magesaft og flyte oppstrøms i blodet uten motor.
Laboratorier over hele verden prøver å finne på fornuftige alternativer for å løse ernæringsproblemet. En idé er å lage kjemiske raketter: sylindriske mikro-roboter med "drivstoff" - et metall eller annen katalysator - som reagerer med magesaft eller andre væsker, og avgir bobler fra baksiden av sylinderen.
"Disse motorene er vanskelige å kontrollere," sier Medina-Sanchez og Schmidt. Vi kan omtrent styre retningen deres ved hjelp av kjemiske gradienter, men de er ikke robuste og effektive nok. Utforming av giftfri drivstoff basert på sukker, urea eller andre kroppsvæsker står også overfor utfordringer.
Et bedre alternativ vil være metalliske fysiske motorer som kan aktiveres av endringer i magnetfeltet. Martel, som vist i demonstrasjonen med perler i svin, var en av de første som undersøkte slike motorer.
MR-maskinen er ideell for å kontrollere og avbilde metallprototype mikroroboter, forklarer Martel. Maskinen har flere sett med magnetiske spoler: hovedsettet magnetiserer mikroroboten etter at den er introdusert i blodet gjennom et kateter. Deretter, ved å manipulere MR-gradientspolene, kan vi generere svake magnetfelt for å skyve mikroroboten gjennom blodkar eller andre biologiske rør.
I påfølgende eksperimenter laget Martel jern og kobolt nanopartikler belagt med et kreftmedisin og injiserte disse små soldatene i kaniner. Ved å bruke et dataprogram for automatisk å endre magnetfeltet, siktet teamet hans bots rett mot målet. Selv om det ikke var noen faktiske svulster i denne studien, sier Martel at prosjekter som disse kan være nyttige for å bekjempe leverkreft og andre svulster med relativt store kar.
Hvorfor ikke små fartøy? Problemet er igjen energi. Martel klarte å krympe roboten til noen hundre mikrometer - alt mindre krever magnetiske gradienter så store at de forstyrrer nevroner i hjernen.
Microborgs
En mer elegant løsning er å bruke biologiske motorer som allerede finnes i naturen. Bakterier og sædceller er bevæpnet med whiplash-haler som naturlig driver dem gjennom svingete tunneler og kroppshulrom for å utføre biologiske reaksjoner.
Ved å kombinere mekaniske og biologiske deler, ville det være mulig å få de to komponentene til å utfylle hverandre når en feiler.
Et eksempel er en sædbot. Schmidt utviklet små metallspoler som vikles rundt den late sædcellen, noe som gir den mobiliteten til å nå egget. Sædcellen kan også lastes med medisiner assosiert med den magnetiske mikrostrukturen for å behandle kreft i reproduksjonskanalen.
Det er også spesialiserte grupper av MC-1-bakterier som stemmer overens med jordens magnetfelt. Ved å generere et relativt svakt felt - nok til å overvinne jordens - kan forskere orientere bakteriens indre kompass mot et nytt mål som kreft.
Dessverre kan MC-1-bakterier bare overleve i varmt blod i 40 minutter, og de fleste er ikke sterke nok til å svømme mot blodet. Martel ønsker å lage et hybridsystem av bakterier og fettblærer. Bobler, lastet med magnetiske partikler og bakterier, vil bli ført inn i større kar ved hjelp av sterke magnetfelt til de kommer inn i de smalere. Så sprekker de og slipper ut en sverm bakterier, som på samme måte, ved hjelp av svake magnetfelt, vil fullføre reisen.
Går videre
Mens forskere har skissert en rekke ideer om fremdrift, er det fortsatt en stor utfordring å spore mikrorobotene når de har blitt implantert i kroppen.
Kombinasjoner av forskjellige bildebehandlingsteknikker kan hjelpe. Ultralyd, MR og infrarød bildebehandling er for sakte til å observere operasjonene til mikroroboter dypt i kroppen. Men ved å kombinere lys, lyd og elektromagnetiske bølger, kunne vi øke oppløsningen og følsomheten.
Ideelt sett bør en bildebehandlingsteknikk kunne spore mikromotorer på en dybde på 10 centimeter under huden, i 3D og i sanntid, og bevege seg med en minimumshastighet på titalls mikrometer per sekund, sier Medina-Sanchez og Schmidt.
For øyeblikket er dette vanskelig å oppnå, men forskere håper at toppmoderne optoakustiske teknikker, som kombinerer infrarød og ultralydsbilder, kan bli gode nok til å spore mikroroboter om få år.
Og så gjenstår spørsmålet hva du skal gjøre med robotene på slutten av oppdraget. Å la dem drive i kroppen er å tillate blodpropp eller andre katastrofale bivirkninger som metallforgiftning. Å få roboter tilbake til utgangspunktet (munn, øyne og andre naturlige åpninger) kan være overveldende. Derfor vurderer forskere bedre alternativer: å fjerne roboter naturlig eller lage dem fra biologisk nedbrytbare materialer.
Sistnevnte har et eget pluss: hvis materialene er følsomme for varme, surhet eller andre kroppsfaktorer, kan de brukes til å lage autonome bioroboter som fungerer uten batterier. For eksempel har forskere allerede laget små stjerneformede "gripere" som lukkes rundt vev når de blir utsatt for varme. Når den plasseres rundt berørte organer eller vev, kan gripen biopsi in situ, og tilbyr en mindre invasiv metode for screening for tykktarmskreft eller sporing av kronisk inflammatorisk tarmsykdom.
"Målet er å lage mikroroboter som kan fornemme, diagnostisere og handle autonomt mens mennesker ser på og holder seg under kontroll i tilfelle en funksjonsfeil," sa Medina-Sanchez og Schmidt.
Den fantastiske reisen til medisinske mikro-roboter er akkurat i gang.
Alle kombinasjoner av materialer, mikroorganismer og mikrostrukturer må testes på ubestemt tid for å sikre at de er trygge, først på dyr og deretter på mennesker. Forskere venter også på hjelp fra regulatorer.
Men forskernes optimisme tørker ikke ut.
"Gjennom koordinerte tiltak kan mikroroboter føre oss inn i en tid med ikke-invasive terapier i ti år," sier forskerne.
ILYA KHEL
