Chirurgen zullen binnenkort legers van kleine robots inzetten om micro-hamburgers in het lichaam uit te voeren. Hoewel dit misschien sciencefiction lijkt , heeft een onderzoeksteam van de Drexel-universiteit een micro-robottechnologie ontwikkeld die wordt overwogen voor een belangrijke missie: boren door verstopte bloedvaten.
Atriale plaques ontstaan wanneer vet, cholesterol, calcium en andere stoffen worden afgezet op de binnenwanden van de slagaders, die bloed door het lichaam transporteren. Na verloop van tijd worden deze slagaders hard en smal. Dit proces genaamd atherosclerose beperkt het vermogen van zuurstofrijk bloed om vitale organen te bereiken en verhoogt het risico op een hartaanval of beroerte. Hoewel de oorzaak van atherosclerose onbekend is, draagt een combinatie van gewoonten (zoals activiteitsniveau, roken en dieet), genetische risicofactoren en leeftijd bij aan de ontwikkeling ervan. Twee conventionele chirurgische benaderingen voor geblokkeerde slagaders zijn angioplastiek en bypass-chirurgie. Tijdens een angioplastiek blaast een vaatchirurg een kleine ballon in het bloedvat op en plaatst een metalen gaasbuis, een stent genaamd, om de slagaders open te houden en de bloedstroom te verbeteren. Bij een bypass-operatie is daarentegen de bloedstroom omgeleid door niet-geblokkeerde aderen of slagaders te gebruiken om de vernauwde slagader te omzeilen.
Deze nieuwe innovatie in nanomedicine neemt echter de vorm aan van kleine microkralen die samenkomen om een kurkentrekkerachtige structuur te vormen die in staat is om door de verraderlijke wateren van het vaatstelsel van het lichaam te navigeren. De microzwemmers zijn opgebouwd uit kleine ijzeroxidekorrels van slechts 200 nanometer, samengevoegd in een ketting. Deze parels zijn "samengesteld uit anorganische, biocompatibele materialen die geen immunologische respons veroorzaken", zegt MinJun Kim, professor aan het College of Engineering van de Drexel University.
Om beweging door de bloedstroom te induceren, wordt de ketting blootgesteld aan een fijn gekalibreerd extern magnetisch veld. De rotatie van dit veld zorgt ervoor dat de ketting een draaiende spiraalvormige structuur vormt die zichzelf door de bloedstroom voortstuwt. De eigenschappen van dit magnetische veld helpen ook de snelheid, richting en grootte van de microzwemmerketen te regelen (die de kracht beïnvloedt waarmee deze beweegt) op basis van de aard van de arteriële occlusie.
"Het gebruik van micro-robots in de geneeskunde is echt een geheel nieuw vakgebied, waarvoor een sterke multidisciplinaire onderzoeksachtergrond vereist is", zegt Kim.
Het unieke ontwerp voor de microzwemmer is geïnspireerd door de natuur zelf - een micro-organisme genaamd Borrelia burgdorferi . (Drexel University) Het unieke ontwerp voor de microzwemmer is geïnspireerd door de natuur zelf - een micro-organisme genaamd Borrelia burgdorferi . De spiraalvormige structuur van deze bacterie, die verantwoordelijk is voor het veroorzaken van de ziekte van Lyme, zorgt ervoor dat deze gemakkelijk lichaamsvloeistoffen kan infiltreren en wijdverspreide schade kan veroorzaken.
Om arteriële plaques te verwijderen, zullen de wetenschappers een katheter gebruiken om de microzwemmers af te geven en een kleine vaatboor om de afgesloten slagader vrij te maken. Na plaatsing zullen de microzwemmers de initiële aanval uitvoeren waarbij de geharde plaque wordt losgemaakt, die op zijn beurt zal worden afgewerkt door de chirurgische boor. Na de operatie zijn de biologisch afbreekbare korrels ontworpen om anticoagulantia in de bloedbaan vrij te maken om de toekomstige plaque-opbouw te voorkomen.
"Huidige behandelingen voor chronische totale occlusie zijn slechts ongeveer 60 procent succesvol, " zei Kim in een persbericht . "Wij geloven dat de methode die we ontwikkelen 80 tot 90 procent succesvol kan zijn en mogelijk de hersteltijd kan verkorten."
Voor de microzwemmers gebruikten de onderzoekers asymmetrische structuren van drie kleine ijzeroxidekorrels. (Drexel University) Het onderzoeksteam moest verschillende uitdagingen overwinnen om functionele robots op zo'n microscopische schaal te ontwikkelen. "De microscopische wereld is compleet anders dan de macroscopische wereld waarin we allemaal leven", zegt Kim. "We gebruiken traagheid om te bewegen in de macroscopische wereld, maar op microscopisch niveau is traagheid niet nuttig voor beweging." Als gevolg hiervan moesten de wetenschappers asymmetrische (of chirale) structuren gebruiken voor de microzwemmers. “We kunnen micro-zwemmers met één of twee kralen maken, maar wanneer we het magnetische veld aanleggen, kunnen ze helemaal niet bewegen omdat hun structuren symmetrisch zijn. Dus om een niet-symmetrische structuur te creëren, moesten we minstens drie kralen gebruiken, ”zegt Kim.
Een ander obstakel waarmee de onderzoekers werden geconfronteerd, waren de complexe vloeistofeigenschappen van het bloed. In tegenstelling tot water wordt bloed een niet-Newtoniaanse vloeistof genoemd, wat betekent dat de viscositeit (of weerstand tegen stroming) van de vloeistof niet recht evenredig is met de snelheid waarmee het stroomt. Dientengevolge waren de algoritmen voor de controle van de micro-zwemmers die Kim en zijn team ontwikkelden gebaseerd op niet-lineaire vloeistofdynamica en waren ze veel uitgebreider. "Deze niet-lineaire besturing maakt het veel moeilijker om robots op microschaal te manipuleren, " zegt Kim.
De wetenschappers van Drexel hebben zich aangesloten bij het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology om deze technologie uit te breiden voor dagelijks gebruik door cardiovasculaire chirurgische teams. Tot nu toe zijn de microzwemmers alleen getest in kunstmatige bloedvaten. De internationale onderzoeksinspanning, een project van $ 18 miljoen gefinancierd door het Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, heeft topingenieurs aangeworven uit 11 andere instellingen in de Verenigde Staten, Korea en Zwitserland. Ze hopen de technologie binnen vier jaar in menselijke klinische proeven te hebben.
Naast het gebruik van de micro-zwemmers als sanitair voor de slagaders, hebben de onderzoekers andere potentiële biomedische toepassingen onderzocht, zoals meer gerichte medicamenteuze therapieën en beeldvormende technologie met hogere resolutie. "De kralen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om rechtstreeks in moeilijk bereikbare kankertumorcellen binnen te dringen, waar het medicijn in het doelwit wordt vrijgegeven, waardoor de medicijnefficiëntie wordt gemaximaliseerd", zegt Kim.
Kim's interesse op het gebied van nanotechnologie werd aangewakkerd door de sciencefictionfilm Fantastic Voyage uit 1966 en de door Steven Spielberg geregisseerde remake Innerspace . Beide films hebben betrekking op de miniaturisatie van een door de mens bestuurde onderzeeër die vervolgens tijdens een levensreddende missie in het menselijk lichaam wordt geïnjecteerd.
"Ik keek naar Innerspace toen ik op de middelbare school zat in 1987. De film bevat talloze concepten van micro-robotica en nanomedicine die zowel voor mijzelf als voor andere onderzoekers op dit gebied hebben gediend", zegt Kim. "Ik ben verheugd deel uit te maken van een project dat is betrokken bij het realiseren van deze science fiction."
