Pakar bedah akan segera melancarkan tentera robot kecil untuk melakukan mikrosurger di seluruh badan. Walaupun ini mungkin kelihatan seperti fiksyen sains , satu pasukan penyelidikan dari Universiti Drexel telah membangunkan teknologi mikro robotik yang sedang dipertimbangkan untuk pengeboran misi yang penting melalui arteri tersumbat.
Plak atrial terbentuk apabila lemak, kolesterol, kalsium dan bahan lain disimpan di dinding dalaman arteri, yang membawa darah ke seluruh tubuh. Dari masa ke masa, arteri ini mengeras dan sempit. Proses ini yang disebut atherosclerosis menghalang keupayaan darah kaya oksigen untuk mencapai organ-organ penting dan meningkatkan risiko serangan jantung atau strok. Walaupun penyebab aterosklerosis tidak diketahui, kombinasi tabiat (seperti tahap aktiviti, merokok dan diet), faktor risiko genetik dan umur menyumbang kepada perkembangannya. Dua pendekatan pembedahan konvensional untuk arteri yang disekat adalah pembedahan angioplasti dan pintasan. Semasa angioplasti, seorang pakar bedah vaskular menaikkan belon kecil di dalam saluran darah dan memasuki tiub mesh logam yang disebut stent untuk memegang arteri terbuka dan memperbaiki aliran darah. Sebaliknya, pembedahan pintasan melibatkan pengaliran aliran darah dengan menggunakan urat atau arteri yang tidak diblokir untuk memintas arteri yang sempit.
Inovasi baru dalam nanomedicine, bagaimanapun, mengambil bentuk microbeads kecil yang bergabung bersama untuk membentuk struktur seperti corkscrew yang mampu menavigasi perairan khianat sistem vaskular badan. Perenang mikro terdiri daripada manik besi oksida kecil sekecil 200 nanometer, disatukan dalam rantai. Manik-manik ini "terdiri daripada bahan bukan organik, bukan biokimia yang tidak akan mencetuskan tindak balas imunologi, " kata MinJun Kim, seorang profesor di Kolej Kejuruteraan Universiti Drexel.
Untuk merangsang pergerakan melalui aliran darah, rantaian itu terdedah kepada medan magnet luar yang dikalibrasi. Pusingan medan ini menyebabkan rantai membentuk struktur heliks berputar yang melonjakkan dirinya melalui aliran darah. Sifat-sifat medan magnet ini juga membantu mengawal kelajuan, arah dan saiz rantai perenang mikro (mempengaruhi daya yang bergeraknya) berdasarkan sifat oklusi arteri.
"Penggunaan mikro-robot dalam bidang perubatan benar-benar merupakan bidang baru, yang memerlukan latar belakang penyelidikan multidisiplin yang kuat, " kata Kim.
Reka bentuk yang unik untuk perenang mikro telah diilhamkan oleh alam semulajadi itu-mikroorganisma yang dipanggil Borrelia burgdorferi . (Universiti Drexel) Reka bentuk yang unik untuk perenang mikro telah diilhamkan oleh alam semulajadi itu-mikroorganisma yang dipanggil Borrelia burgdorferi . Struktur lingkaran bakteria ini, yang bertanggung jawab untuk menyebabkan penyakit Lyme, membolehkannya mudah menyusup cairan tubuh dan menyebabkan kerosakan yang meluas.
Untuk menghilangkan plak arteri, saintis akan menggunakan kateter untuk menyampaikan perenang mikro dan gerudi vaskular kecil untuk membersihkan arteri terkilan. Apabila digunakan, perenang-perenang mikro akan melancarkan serangan awal melonggarkan plak yang keras, yang kemudiannya akan habis oleh latihan pembedahan. Selepas pembedahan, manik biodegradable direka untuk melepaskan ubat antikoagulan ke dalam aliran darah untuk membantu pembentukan plak masa depan yang mantap.
"Rawatan semasa untuk oklusi total kronik hanya kira-kira 60 peratus berjaya, " kata Kim dalam kenyataan akhbar . "Kami percaya bahawa kaedah yang kami usahakan dapat setinggi 80 hingga 90 peratus berjaya dan mungkin memendekkan masa pemulihan."
Bagi perenang mikro, penyelidik menggunakan struktur asimetri tiga manik besi oksida kecil. (Universiti Drexel) Pasukan penyelidikan terpaksa mengatasi beberapa cabaran untuk membangunkan robot berfungsi pada skala mikroskopik sedemikian. "Dunia mikroskopik berbeza daripada dunia makroskopik yang kita semua hidup, " kata Kim. "Kami menggunakan inertia untuk bergerak di dunia makroskopik, tetapi pada inersia tahap mikroskopik tidak berguna untuk pergerakan." Akibatnya, saintis terpaksa menggunakan struktur asimetris (atau kiral) untuk perenang mikro. "Kita boleh membuat perenang mikro-manik-manik dan dua-manik, tetapi apabila kita menggunakan medan magnet mereka tidak dapat bergerak sama sekali kerana struktur mereka adalah simetri. Jadi untuk mewujudkan struktur bukan simetri kita perlu menggunakan sekurang-kurangnya tiga manik, "kata Kim.
Satu lagi halangan yang dihadapi oleh para penyelidik adalah ciri-ciri cecair kompleks darah. Tidak seperti air, darah dirujuk sebagai cecair bukan Newtonian, yang bermaksud kelikatannya (atau rintangan untuk mengalir) cecair tidak bersamaan dengan kelajuan yang mana ia mengalir. Akibatnya, algoritma untuk mengawal perenang mikro yang Kim dan pasukannya dibangunkan berdasarkan dinamik cecair tidak linear dan lebih terperinci. "Kawalan bukan linear ini menjadikannya lebih sukar untuk memanipulasi robot di microscale, " kata Kim.
Para saintis Drexel telah menyertai Institut Sains dan Teknologi Daegu Gyeongbuk untuk mengembangkan teknologi ini untuk kegunaan harian oleh pasukan pembedahan kardiovaskular. Setakat ini, perenang-perenang mikro hanya diuji dalam saluran darah buatan. Usaha penyelidikan antarabangsa, projek bernilai $ 18 juta yang dibiayai oleh Institut Penilaian Teknologi Korea, telah merekrut jurutera tertinggi dari 11 institusi lain di Amerika Syarikat, Korea dan Switzerland. Mereka berharap mempunyai teknologi dalam ujian klinikal manusia dalam tempoh empat tahun.
Sebagai tambahan kepada penggunaan perenang mikro sebagai alat paip untuk arteri, para penyelidik telah menyiasat aplikasi biomedical berpotensi lain, seperti terapi dadah yang lebih disasarkan dan teknologi pencitraan resolusi yang lebih tinggi. "Contohnya, manik-manik itu boleh digunakan untuk menembusi sel-sel tumor kanser yang sukar dijangkiti di mana dadah akan dilepaskan ke sasaran, dengan itu memaksimumkan kecekapan dadah, " kata Kim.
Kepentingan Kim dalam bidang nanoteknologi telah dicetuskan oleh filem fiksi sains 1966 Fantastic Voyage dan mengarahkan Sters Spielberg mengarahkan semula Innerspace . Kedua-dua filem ini membabitkan pengurangan kecil kapal selam manusia yang dijana manusia yang kemudiannya disuntik ke dalam tubuh manusia pada misi menyelamatkan nyawa.
"Saya menyaksikan Innerspace ketika saya berada di sekolah menengah pada tahun 1987. Filem itu mengandungi banyak konsep mikro-robot dan nanomedicine yang telah memberi inspirasi kepada saya dan penyelidik lain dalam bidang ini, " kata Kim. "Saya teruja untuk menjadi sebahagian daripada projek yang terlibat dalam membawa fiksyen sains ini menjadi kenyataan."
