Za jasného podzimního večera v roce 2006 dr. Sylvain Martel zadržel dech, když technik naložil anestetizované prase do rotujícího stroje fMRI. Jeho oči hleděly na obrazovku počítače, která ukazovala magnetický korálek visící v tenké prasečí krevní cévě. Napětí v místnosti bylo fyzicky cítit. Balón najednou ožil a sklouzl po lodi jako mikroskopická ponorka mířící na místo určení. Tým propukl v potlesk.
Martel a jeho tým testovali nový způsob dálkového ovládání drobných předmětů uvnitř živého zvířete manipulací s magnetickými silami stroje. A poprvé to fungovalo.
Vědci a spisovatelé již dlouho snili o malých robotech, kteří se pohybují v obrovském oběhovém systému těla, jako průzkumníci vesmíru, kteří studují galaxie a jejich obyvatele. Potenciál je obrovský: malí lékařští roboti mohou například přenášet radioaktivní léky do shluků rakoviny, provádět chirurgické zákroky uvnitř těla nebo čistit krevní sraženiny hluboko uvnitř srdce nebo mozku.
Sen, sen, ale s pomocí robotů, říká Dr. Bradley Nelson z Polytechnické univerzity v Curychu, se lidé mohli vrhnout přímo do krevního oběhu a provést mozkovou operaci.
V současné době jsou lékařské mikroprocesory většinou fiktivní, ale v příštím desetiletí se to může změnit. Tento týden publikovali Dr. Mariana Medina-Sanchez a Oliver Schmidt z Leibnizova institutu pro výzkum pevných látek a materiálů v Drážďanech v Německu článek v Nature, který se otočil zády od velkých obrazovek k nanoinženýrským laboratořím, s popisem priorit a realistických testů k oživení těchto drobných chirurgů.
Vytváření hybatelů
Lékařské mikro-roboty jsou součástí cesty medicíny k miniaturizaci. V roce 2001 představila izraelská společnost PillCam, plastovou kapsli o velikosti cukrovinky vybavenou fotoaparátem, baterií a bezdrátovým modulem. Při cestování trávicím kanálem PillCam pravidelně bezdrátově odesílala zpět snímky, které nabízejí citlivější a méně toxickou diagnostickou metodu než tradiční endoskopie nebo rentgenografie.
Propagační video:
PillCam je gigantický pro dokonalého mikrorobota, takže je vhodný pouze pro relativně širokou trubici našeho zažívacího systému. Tato pilulka byla také pasivní a nemohla zůstat na zajímavých místech k podrobnějšímu zkoumání.
"Skutečný lékařský robot se musí pohybovat a postupovat přes složitou síť tubulů naplněných tekutinami v tkáních hluboko v těle," vysvětluje Martel.
Tělo, bohužel, není pro vnější hosty příliš příjemné. Mikro roboti musí odolat korozivním žaludečním šťávám a plavat proti proudu v krvi bez motoru.
Laboratoře po celém světě se snaží přijít s rozumnými alternativami, jak vyřešit problém s výživou. Jednou myšlenkou je vytvořit chemické rakety: válcovité mikroroboty s „palivem“- kovem nebo jiným katalyzátorem -, které reagují se žaludečními šťávami nebo jinými tekutinami a emitují bubliny ze zadní části válce.
„Tyto motory se obtížně ovládají,“říkají Medina-Sanchez a Schmidt. Můžeme zhruba řídit jejich směr pomocí chemických gradientů, ale nejsou dostatečně robustní a efektivní. Návrh netoxických paliv na bázi cukru, močoviny nebo jiných tělesných tekutin také čelí výzvám.
Lepší alternativou by byly kovové fyzikální motory, které by mohly být aktivovány změnami v magnetickém poli. Martel, jak ukazuje jeho demonstrace typu „korálek v prase“, byl jedním z prvních, kdo takové motory vyšetřoval.
Zařízení MRI je ideální pro řízení a zobrazování kovových prototypů mikrorobotů, vysvětluje Martel. Zařízení má několik sad magnetických cívek: hlavní sada magnetizuje mikrorobota poté, co je zaveden do krevního řečiště katétrem. Poté manipulací s cívkami gradientu MRI můžeme generovat slabá magnetická pole, abychom mikrorobota protlačili krevními cévami nebo jinými biologickými trubicemi.
V následujících experimentech Martel vyrobil nanočástice železa a kobaltu potažené protirakovinovým léčivem a vstřikoval tyto drobné vojáky králíkům. Jeho tým pomocí počítačového programu k automatické změně magnetického pole namířil roboty přímo na cíl. I když v této konkrétní studii nebyly žádné skutečné nádory, Martel říká, že projekty jako tyto by mohly být užitečné v boji proti rakovině jater a dalším nádorům s relativně velkými cévami.
Proč ne malá plavidla? Problémem je opět energie. Martel dokázal zmenšit robota na několik stovek mikrometrů - cokoli méně vyžaduje magnetické přechody tak velké, že narušují neurony v mozku.
Microcyborgs
Elegantnějším řešením je použití biologických motorů, které již v přírodě existují. Bakterie a spermie jsou vyzbrojeny ocasem krční páteře, který je přirozeně pohání klikatými tunely a tělními dutinami k provádění biologických reakcí.
Kombinací mechanických a biologických částí by bylo možné zajistit, aby se tyto dvě složky vzájemně doplňovaly, když jedna selže.
Příkladem je spermiový robot. Schmidt navrhl drobné kovové cívky, které se obtočily kolem líné spermie, což jí poskytlo mobilitu k dosažení vajíčka. Spermie mohou být také naloženy léky spojenými s magnetickou mikrostrukturou k léčbě rakoviny v reprodukčním traktu.
Existují také specializované skupiny bakterií MC-1, které se vyrovnávají s magnetickým polem Země. Vytvořením relativně slabého pole - dostatečného k překonání Země - mohou vědci orientovat vnitřní kompas bakterií na nový cíl, jako je rakovina.
Bohužel bakterie MC-1 mohou přežít v teplé krvi pouze 40 minut a většina z nich není dostatečně silná, aby plavala proti krevnímu oběhu. Martel chce vytvořit hybridní systém bakterií a tukových měchýřů. Bubliny nabité magnetickými částicemi a bakteriemi budou směrovány do větších cév pomocí silných magnetických polí, dokud se nedostanou do užších. Pak prasknou a vypustí roj bakterií, které stejným způsobem pomocí slabých magnetických polí dokončí svou cestu.
Pohyb vpřed
Zatímco vědci načrtli spoustu myšlenek o pohonu, sledování mikrorobotů, jakmile jsou implantováni do těla, zůstává velkou výzvou.
Mohou pomoci kombinace různých zobrazovacích technik. Ultrazvuk, MRI a infračervené zobrazování jsou příliš pomalé na to, aby bylo možné pozorovat operace mikrorobotů hluboko v těle. Ale kombinací světla, zvuku a elektromagnetických vln bychom mohli zvýšit rozlišení a citlivost.
V ideálním případě by zobrazovací technika měla být schopna sledovat mikromotory 10 centimetrů pod kůží ve 3D a v reálném čase a pohybovat se minimální rychlostí desítek mikrometrů za sekundu, říkají Medina-Sanchez a Schmidt.
V tuto chvíli je to obtížné dosáhnout, ale vědci doufají, že nejmodernější optoakustické techniky, kombinující infračervené a ultrazvukové zobrazování, mohou být za několik let dostatečně dobré pro sledování mikrorobotů.
A pak zůstává otázkou, co dělat s roboty po dokončení jejich mise. Nechat je unášet uvnitř těla znamená umožnit sraženiny nebo jiné katastrofické vedlejší účinky, jako je otrava kovy. Získání robotů zpět do výchozího bodu (ústa, oči a další přirozené otvory) může být ohromující. Vědci proto zvažují lepší možnosti: odstranění robotů přirozeným způsobem nebo jejich vytvoření z biologicky rozložitelných materiálů.
Ta druhá má samostatné plus: pokud jsou materiály citlivé na teplo, kyselost nebo jiné tělesné faktory, mohly by být použity k vytvoření autonomních biorobotů, které fungují bez baterií. Vědci například již vyrobili malé hvězdicovité „chapadla“, která se při působení tepla uzavírají kolem tkáně. Při umístění kolem postižených orgánů nebo tkání mohl drapák provést biopsii in situ a nabídnout méně invazivní metodu pro screening rakoviny tlustého střeva nebo sledování chronického zánětlivého onemocnění střev.
"Cílem je vytvořit mikroroboty, kteří dokáží snímat, diagnostikovat a jednat autonomně, zatímco lidé budou v případě poruchy sledovat a zůstat pod kontrolou," uvedli Medina-Sanchez a Schmidt.
Fantastická cesta lékařských mikro robotů právě začíná.
Všechny kombinace materiálů, mikroorganismů a mikrostruktur budou muset být testovány neomezeně, aby byla zajištěna jejich bezpečnost, nejprve na zvířatech a poté na lidech. Vědci také čekají na pomoc regulačních orgánů.
Optimismus vědců však nevysuší.
„Prostřednictvím koordinovaných iniciativ by nás mikroroboti mohli po dobu deseti let vést do éry neinvazivních terapií,“tvrdí vědci.
ILYA KHEL