Żel(k)owe miniroboty mogą zrewolucjonizować medycynę prewencyjną!

Czy już niedługo spełnią się najgorsze koszmary z lat dziecięcych i ludzie będą sterowani za pomocą miniaturowych robotów? Technologicznie rzecz biorąc, jeszcze długa droga przed współczesnymi geniuszami zła. Natomiast w centralnej Europie pewna grupa badawcza jest już na ostatniej prostej do wielkiego odkrycia.

Grupa naukowa ze szwajcarskiej Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL), a konkretniej z laboratorium Micro BioRobotic Systems Laboratory, opracowała mikroskopijnych rozmiarów mięśnie wykonane z hydrożelu, które są w stanie manipulować oraz stymulować mechanicznie tkanki biologiczne. Tak – w tym ludzkie. Miękkie, biokompatybilne roboty mogą znaleźć zastosowanie w procesie indywidualizacji terapii oraz wspomóc diagnozować oraz zapobiegać różnym schorzeniom.

Ludzkie tkanki doświadczają całego spektrum stymulantów mechanicznych, które mogą trwale wpłynąć na ich zdolność wykonywania swoich funkcji fizjologicznych takich, jak np. ochrona organów wewnętrznych przed urazami. Zastosowanie takich bodźców in vivo [1] oraz in vitro [2],  oczywiście w sposób kontrolowany, dowiodło swojej wartości w badaniach warunków fizjologicznych, które mogą prowadzić do choroby w organizmie.

[1] łac. „w żywym” (ciele, organizmie);

[2] łac. poza organizmem, w warunkach nienaturalnych (np. w probówce);

Rysunek 1 Sztuczne mięśnie na bazie hydrożelu

Ruchy w skali mikro

Naukowcy z Lozanny, pod kierownictwem profesora Selmana Sakara, opracowali mikrourządzenia zdolne do mechanicznego stymulowania komórek i mikrotkanek. Te narzędzia, których „motorem” są sztuczne mięśnie o rozmiarach komórkowych, mogą wykonywać skomplikowane działania w zadanych warunkach fizjologicznych w skali mikroskopowej.

Urządzenia te składają się z mikrosiłowników oraz miękkich robocików. Działają bezprzewodowo i aktywowane są za pomocą wiązek lasera. Mogą również zawierać w swojej objętości mikrofluidyczne [3] chipy, co oznacza, że mogą zostać wykorzystane do wykonywania kombinatorycznych badań takich, jak stymulacje chemiczne i mechaniczne różnorodnych próbek biologicznych o wysokiej przepustowości.

[3] Mikrofluidyka odnosi się do zachowania, precyzyjnej kontroli i manipulacji płynami, które są geometrycznie ograniczone do małej skali (zwykle poniżej milimetra).

Lego dla naukowców

Wszystkie największe odkrycia naukowe pochodzą z obserwacji rzeczywistości. Tak też było tym razem – pomysł na mikroroboty pojawił się po obserwacji układu ruchomego. – Chcieliśmy stworzyć modularny system zasilany przez kurczenie się rozproszonych siłowników i odkształcanie odpowiednich mechanizmów – stwierdził profesor Sakar.

Ten system zakłada montaż kilku hydrożelowych komponentów – działa to na tej samej zasadzie co układanie klocków Lego – w taki sposób, aby powstała konstrukcja szkieletowa. Następnie, tworzone są podobne do ścięgien polimerowe połączenia między szkieletem a mikrosiłownikami. Poprzez połączenie „klocków” i siłowników w różnych konfiguracjach, można uzyskać wachlarz skomplikowanych mikromaszyn.

Nasze miękkie siłowniki kurczą się z dużą częstotliwością oraz efektywnością w momencie aktywacji za pomocą światła o długości bliskiej podczerwieni. W chwili, gdy sieć mikrosiłkowników kurczy się, pociąga za otaczające komponenty urządzenia i uruchamia machinę – tłumaczy Berna Özkale, główna autorka projektu.

Ta metoda otwiera przez badaczami drzwi do badań nad obsługą zdalnie sterowanych zespołów mikrosiłowników w dokładnie określonych lokalizacjach – zgrabne podejście, które pozwala osiągać wyjątkowe rezultaty. Każdy pełny cykl skurcz/rozkurcz zajmuje mikrosiłownikom milisekundy nawet w chwili znacznego obciążenia mechanizmu.

Oprócz użyteczności w badaniach podstawowych, technologia ta oferuje również praktyczne zastosowania. Dla przykładu może zostać wykorzystana w medycynie w formie malutkich implantów medycznych do mechanicznej stymulacji tkanek lub pobudzania mechanizmów dostarczających na żądanie środki biologiczne.

Transport obiektów przez pochłonięcie

Laboratorium profesora Sakar’a opracowuje także wszechstronną metodę podnoszenia i transportu mikroskopijnych obiektów – niezależnie od ich kształtu i właściwości mechanicznych – w środowisku ciekłym. Te badania niedawno znalazły się na okładce magazynu Small.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów, które wykorzystują mechaniczne palce, to nowe podejście nie wymaga wcześniejszej znajomości kształtu obiektu, a mechanizm chwytający nie musi być wstępnie ustawiony.

Nowa technologia bazuje na kulce hydrożelu, która ma wyjątkową właściwość „zapamiętywania” swojego początkowego kształtu. Kiedy ta kulka, umieszczona na końcu rurki, jest dociskana do przedmiotu, otacza go i przyjmuje jego kształt. Następnie przez rurkę wstrzykiwane są jony wapnia, co powoduje zestalenie hydrożelu. W tym momencie hydrożel może być użyty do transportu przedmiotu.

Aby przemieszczać cięższe obiekty, dopasowywanie geometryczne komponentów wyzwalane przez jony wapnia można wzmocnić siłami skurczu poprzez lokalne podwyższenie temperatury. Aby uwolnić obiekt, jony wapnia są zamieniane z powrotem na jony potasu, dzięki czemu kulka znów staje się miękka. – Hydrożel może przybierać różne kształty, dzięki czemu jest rodzajem uniwersalnego chwytaka – mówi Haiyan Jia, główny autor.

Koncepcja zdalnie sterowanych mikrorobotów, które mogą przysłużyć się lekarzom w prewencji schorzeń i chorób nie brzmi jak scenariusz thillera science-fiction. Pozostaje nam być mniejszymi fatalistami niż twórcy scenariuszy filmowych! 😊

Źródło: https://www.wevolver.com/article/gummylike.robots.could.help.prevent.disease