Специалисты Массачусетского технологического института (MIT), Швейцарской EPFL и Университета Цинцинати создают крошечных роботов, напечатанных на 3D-принтере, которыми можно управлять дистанционно при помощи магнитного поля, сообщает interestingengineering.com.
Ирина Толстенко
Команда изготовила конструкции из шариков и палочек, напоминающие крошечные леденцы. В шарики были добавлены магнитные частицы. Автор: Carlos Portela, et al. Источник: interestingengineering.com
Эта инновация способна привести к появлению микро-устройств, пригодных для выполнения сложных медицинских операций внутри организма человека, таких как забор тканей для биопсии или адресная доставка лекарственных препаратов.
Что такое микророботы в современной медицине
Микророботы в медицине — это автономные или полуавтономные устройства размером от нескольких микрометров до одного миллиметра, созданные для выполнения диагностических, терапевтических или исследовательских задач внутри человеческого организма. Они способны путешествовать по сосудам, доставлять лекарства к поражённым клеткам, удалять тромбы, проводить биопсию и выполнять другие манипуляции с высокой точностью.
Движение микророботов могут вызывать различные факторы: реакции химических веществ (например, магния с водой или пероксида водорода) вызывают расширение или сжатие элементов, локальное повышение давления и другие эффекты. Движение может происходить под действием внешних физических полей: магнитного, светового, ультразвукового. Биологическое движение вызывают живые элементы, например ферменты или белков.
Характерно, что некоторые микророботы не автономны и требуют внешнего управления, а другая группа движется самостоятельно под воздействием магнитных полей, световых лучей, электрических импульсов и пр. Некоторые модели оснащают датчиками и сенсорами, которые позволяют реагировать на изменения в окружающей среде (pH, температуру, наличие определённых молекул).
Гелевый магнитобот создан методом 3D-печати
В рамках работы ученые MIT разработали новый тип мягкого магнитного гидрогеля, из которого можно изготавливать трехмерные микроскопические структуры. Гель дает возможность элементам миниатюрного робота деформироваться и перемещаться автономно под действием внешнего магнита. Эти магнитоботы весьма перспективны в медицине для получения биологических образцов или транспортировки лекарств внутрь организма.
«Теперь мы имеем возможность создавать мягкие, сложные трехмерные конструкции, чьи компоненты способны двигаться и менять форму сложным образом в рамках одной микроскопической структуры. Для области мягкой микроскопической робототехники и материалов, реагирующих на внешние стимулы, это может стать прорывом», отметил Карлос Портела, один из авторов исследования из MIT.
Магнитные методы управления микророботами предпочтительнее стимулам светом или химией благодаря скорости и удобству. Магнитные поля обеспечивают моментальное управление на расстоянии без каких-либо проводов и без непосредственного контакта. Это обеспечивает возможность в реальном времени изменять свойства, форму микроробота для осуществления им высокоточных микроманипуляций с дистанционным управлением.
В ходе исследований была выбрана наиболее подходящая под задачи форма магнитобота — крошечные шарики на палочке — «чупа-чупс» меньше миллиметра, напечатанные на 3D-принтере из особого геля с магнитными свойствами: они моментально трансформируются при поднесении магнита.
Для изготовления подобных магниточувствительных микроструктур специалисты обычно используют двухфотонную литографию метод 3D-печати с высоким разрешением, где для отверждения смолы применяются лазеры.
Но применение данного метода с магнитными материалами не представляется возможным, так как магнитные наночастицы ( металлические включения) рассеивают лазерный луч и образуют комки. Эти помехи снижают или вовсе нарушают целостность напечатанной конструкции, таким образом мешая формированию сложных функциональных микроизделий.
«Прямая 3D-печать деформируемых структур микронного масштаба с высоким содержанием магнитных частиц чрезвычайно сложная задача, часто требующая компромисса между магнитной функциональностью и структурной прочностью»,- пояснила Рэйчел Сан, соавтор исследования.
Двойное погружение для получения магнитных свойств
Метод «двойного погружения», связанный с добавлением магнитных свойств уже после окончания процесса 3D-печати, помог преодолеть трудности. Он заключается в том, что напечатанную чистую полимерную микроструктуру опускают в специальные растворы для выращивания наночастиц оксида железа непосредственно внутри геля.
Кстати, плотность геля регулируется при изменении мощности лазера еще во время печати. Чем плотнее гель, тем меньше он поглощает ионов. Так настраиваются магнитные свойства отдельных компонентов в одном микроскопическом роботе.
Для демонстрации возможности технологии формирования различных свойств материала напечатанные конструкции, похожие на леденец на палочке, были намагничены по-разному, что позволяло всей совокупности гелевых «чупа-чупс» перемещаться целенаправленно.
Их синхронный согласованный «танец» напоминал сжимающее движение пальцев руки, хватающих объект, что показало — данные микроструктуры способны работать как роботизированные инструменты с дистанционным управлением.
«Можно представить, что подобная магнитная архитектура могла бы работать как маленький робот, которого направляют по телу с помощью внешнего магнита, и он мог бы зацепляться за что-либо, например, для забора образца при биопсии», — прокомментировал Портела.
Также был создан «бистабильный» переключатель — гелевый прямоугольник длиной в миллиметр, оснащенный магнитными «веслами» размером с эритроцит. С помощью внешнего магнита эти рычаги поворачиваются, фиксируя устройство во включенном или выключенном состоянии, работая как переключатель с дистанционным управлением.
Такая система способна работать как микроскопический клапан для регулировки потока жидкости в медицинских устройствах. Результаты работы опубликованы в журнале Matter 28 апреля.
Перспективные области применения микророботов в медицине
Доставка медикаментов. Миниатюрные роботы способны переносить противораковые средства, антибактериальные препараты, стволовые клетки и иные вещества прямо к очагу патологии, сокращая негативное влияние на здоровые участки. Так, в 2018 году специалисты из США и Китая создали автономные ДНК-конструкции нанометрового размера, которые лишали опухоль доступа к питанию, что вело к её разрушению.
Онкология. Наноустройства могут выявлять и ликвидировать злокачественные клетки, отключая гены, отвечающие за разрастание новообразования. В 2024 году исследователи из Каролинского института представили ДНК-робота, содержащего внутри себя токсичные для клеток пептиды. Эти вещества выделяются исключительно в кислой среде опухоли, не задевая здоровые ткани.
Сердечно-сосудистая система. Микророботы способны разрушать тромбы, убирать атеросклеротические наросты со стенок артерий, снижая риск инфарктов и инсультов. К примеру, в 2023 году команда учёных протестировала устройство, которое может обследовать сосудистые стенки и удалять бляшки с помощью специального скребка.
Диагностика. Миниатюрные механизмы, оснащённые датчиками, способны изучать биомаркеры в крови и других средах организма, обнаруживая болезни на начальных этапах. Например, исследователи из Гарварда создали робота в виде капсулы с флуоресцентными сенсорами для нахождения матриксных металлопротеиназ (MMP-9) — показателей злокачественных образований.
Микрохирургия. Подобные аппараты могут проводить манипуляции с отдельными клетками, устранять мелкие сосудистые повреждения, восстанавливать нервные волокна и заживлять ткани без открытых операций. Так, биоинженеры из Цюрихского технологического института изготовили магнитного микроробота в форме трубки для терапии сетчатки.
Эндокринология. Наноботы, которые контролируют уровень гормонов, предоставляют свежие подходы к лечению диабета и прочих нарушений обмена веществ.
Офтальмология. Микророботов применяют для очистки глазных сосудов у пациентов с диабетической ретинопатией.
Гелевые магнеботы из США, описанные в статье, уникальны тем, что создаются с помощью технологичной 3D-печати. Именно доступность технологии открывает дорогу к широкому внедрению инновации, которая пока кажется нам чем-то на грани фантастики. А между тем, подобные «гибкие и мягкие» микророботы уже создаются для медицины, правда, а штучном объеме:
Микророботы из спирулины. Созданы на основе водорослей, покрыты слоем магнетита и управляются внешним магнитным полем. Используются для доставки лекарств или «атаки» на опухоли.
Мягкие микророботы из гидрогеля. Могут самостоятельно двигаться внутри тканей и взаимодействовать с клетками. Предназначены для регенеративной медицины.
Микророботы с оболочками из мембран эритроцитов и бактерий. Эффективно связывают и обезвреживают бактериальные яды в крови. Проходили испытания на мышах для борьбы с сепсисом.
Микророботы на базе бактерий Magnetospirillum magneticum. Способны целенаправленно перемещаться к раковым клеткам благодаря естественному хемотаксису и внешнему магнитному управлению.
Преимущества микророботов — низкая инвазивность, они снижают вероятность осложнений относительно стандартных операций; точность — воздействие осуществляется именно на проблемную область; управляемость — возможность дистанционного контроля работы.
3Д-технологии все активнее входят в практику различных областей и сфер. Недавно мы рассказывали, что ЦНИИТМАШ создал 3Д-принтеры с применением селективного лазерного плавления, которая предусматривает послойное воздействие мощного лазера на металлический порошок, в результате чего формируются высокоточные и прочные изделия сложной формы, незаменимые в атомной энергетике, авиакосмической промышленности и медицине.