Transformatorrobotter i mikroskala går sammen om at bryde igennem blokerede arterier

Sværme af mikroskopiske, magnetisk, robotperler kan skrubbe ind ved siden af ​​verdens bedste kar -kirurger - alle tager sigte på blokerede arterier. Disse mikrorobotter, som ser ud og bevæger sig som proptrækkerformede bakterier, udvikles af mekaniske ingeniører ved Drexel University som en del af et kirurgisk værktøjskasse, der er samlet af Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) i Sydkorea.

MinJun Kim, Ph.d., professor i ingeniørhøjskolen og direktør for den biologiske aktivering, Sensing &Transport Laboratory (BASTLab) på Drexel, tilføjer sit teams omfattende arbejde inden for bioinspireret mikrorobotik til et internationalt forskningsinitiativ på 18 millioner dollars fra Korea Evaluation Institute of Industrial Technologies (KEIT), der har til formål at skabe et minimalt invasivt, mikrorobot-assisteret procedure til behandling af blokerede arterier inden for fem år.

DGIST, en statsfinansieret forskningsenhed i Daegu, Sydkorea, er leder af partnerskabet med 11 institutioner, som inkluderer nogle af de bedste ingeniører og robotikere i verden. Drexels team, de enlige repræsentanter fra USA, er allerede godt på vej til at skræddersy robotisk "microswimmer" teknologi til rydning af arterier.

"Mikrorobotik er stadig et temmelig begyndende fagområde, og meget i sin vorden, når det kommer til medicinske applikationer, "Sagde Kim." Et projekt som dette, fordi den understøttes af førende institutioner og har et så udfordrende mål, er en mulighed for at skubbe både medicin og mikrorobotik ind på et nyt og spændende sted. "

Kims mikrosvømmere er kæder af tre eller flere jernoxidperler, stift knyttet sammen via kemiske bindinger og magnetisk kraft. Disse kæder er små nok - i størrelsesorden nanometer - til at de kan navigere i blodbanen som en lille båd. Perlerne sættes i gang af et eksternt magnetfelt, der får hver af dem til at rotere. Fordi de er knyttet sammen, deres individuelle rotationer får kæden til at vride sig som en proptrækker, og denne bevægelse driver mikrosvømmeren.

Ved at kontrollere magnetfeltet, Kim kan styre mikrosvømmernes hastighed og retning. Magnetismen involverer tillader også forskerne at forbinde separate tråde af mikrosvømmere sammen for at lave længere strenge, som derefter kan drives frem med større kraft.

Denne forskning, som for nylig blev rapporteret i Journal of Nanoparticle Research , er en af ​​grundene til, at Kims laboratorium blev valgt til det ambitiøse projekt.

"Vores magnetisk aktiverede microswimmer -teknologi passer perfekt til dette projekt, "Kim sagde." Mikrosvømmere består af uorganiske bionedbrydelige perler, så de ikke udløser et immunrespons i kroppen. Og vi kan justere deres størrelse og overfladeegenskaber for nøjagtigt at håndtere enhver form for arteriel okklusion. "

Kims inspiration til at bruge robot svømmere som bittesmå øvelser kom faktisk fra en ondsindet bakterie, der skaber kaos inde i kroppen ved at gøre netop det - at grave gennem sundt væv. Borrelia burgdorferi, bakterier, der forårsager borrelia er klassificeret efter sin spiralform, som muliggør både dens bevægelse og den deraf følgende cellulære ødelæggelse.

DGIST -forskere planlægger at udnytte denne adfærd i mikroswimmmerne for at lede vejen for en vaskulær sonde ved at løsne den arterielle plak, der forårsager blokering.

Sonden, der ligner en lille boremaskine, er designet af Bradley Nelson fra ETH Zürich, en pioner inden for mikrororobotisk kirurgi. Holdets plan er at bruge et kateter til at levere mikrosvømmere og boret direkte til den blokerede arterie. Derfra, svømmerne ville presse sig ind i blokaden, så ville boremaskinen rydde det helt.

Når strømmen er genoprettet i arterien, mikrosvømmerkæderne kunne spredes og bruges til at levere anti-koagulerende medicin direkte til det berørte område for at forhindre fremtidig blokering.

Denne procedure kan erstatte de to mest almindelige metoder til behandling af blokerede arterier:stenting og angioplastik. Stenting er en måde at oprette en bypass for, at blod kan strømme rundt om blokken ved at indsætte en række rør i arterien, mens angioplastik skubber blokaden ud ved at udvide arterien med hjælp fra en oppustelig sonde.

"Nuværende behandlinger for kronisk total okklusion er kun omkring 60 procent vellykkede, "Kim sagde." Vi mener, at den metode, vi udvikler, kan være så høj som 80-90 procent vellykket og muligvis forkorte restitutionstiden. "