Крошечные роботы для лечения бесплодия

Развитый интеллект позволил человеку изменить не только себя в рамках окружающего мира, но и сам этот мир. Наши цели, желания и действия уже более не ограничены исключительно физиологическими потребностями и животными инстинктами. То, что является движущей силой любого другого вида, более не стоит на пьедестале первенства целей человека. Для любого живого существа, будь то рыба, насекомое или млекопитающее, основной целью существования является продолжение рода и сохранение своего вида. Эта первичная задача лежит в основе адаптационной эволюции и даже поведенческих особенностей. Человек же имеет выбор — заводить детей или нет. Независимо от того, что выбирает отдельный индивидуум, наличие выбора это хорошо, но не всегда он есть. К сожалению, в мире есть множество людей страдающих от бесплодия, вызванного теми или иными заболеваниями и травмами. Говоря о прекрасной половине человечества, то достаточно частой причиной бесплодия является непроходимость фаллопиевых труб, что лечится комбинацией препаратов и хирургическим вмешательством. Ученые из Американского института физики (Колледж-Парк, США) разработали новый, малоинвазивный метод лечения данной патологии, использующий крошечных роботов. Как выглядят эти роботы, что именно они делают, и насколько эффективна их работа? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Бесплодие — это заболевание репродуктивной системы, которым страдают порядка 186 миллионов человек по всему миру. Непроходимость маточных (фаллопиевых) труб составляет 11–67% случаев женского бесплодия. Причиной непроходимости маточных труб являются фибромиомы, эндометриоз и воспалительные заболевания органов малого таза. Текущий основной хирургический подход к устранению непроходимости представлен гистеросальпингографией в сочетании с обычными трубными катетерами и направляющими проволоками. Минимальный диаметр маточной трубы составляет менее 1 мм. Традиционный катетер может достичь только проксимальной части маточной трубы, а направляющая проволока имеет плохую управляемость. Поэтому этот метод реканализации является сложным для лечения дистальной трубной непроходимости. Для входа в дистальную часть маточной трубы и устранения закупорки необходимо медицинское устройство с миниатюрной функцией и контролируемой управляемостью.

Миниатюрные роботы, полагаясь на малые размеры и управляемость, демонстрируют большой потенциал для минимально инвазивной хирургии (например, манипуляции с клетками, лазерное лечение сосудистого стеноза, активной ретенции, доставки лекарств и очистки закупоренных сосудов) в узких полостях (например, фаллопиевых трубах и кровеносных сосудах). В настоящее время для очистки небольших просветных препятствий используются два основных типа миниатюрных роботов, включая кластеры нанороботов и спиральные микророботы. Кластеры нанороботов действуют в основном путем доставки лекарств в заблокированную область. Ранее ученые разработали пористые наномоторы из кремния/платины для последовательной доставки лекарств, включая тромболитические и антикоагулянтные препараты. Для генерации тепла для приведения в движение наномоторов и высвобождения лекарства использовался лазер ближнего инфракрасного диапазона. Также был создан микророй наночастиц магнетита для ускорения тромболизиса тканевого активатора плазминогена (tPA). Магнитный наномотор индуцировал трехмерную конвекцию жидкости и сдвиговое напряжение для увеличения контакта между лекарством и сгустками крови под внешним магнитным полем. TPA закреплялся на поверхности нанороботов Fe₃O₄@mSiO₂ для растворения тромба посредством вращающегося движения. Эти наномоторы можно доставлять и извлекать через катетер. Эти кластеры роботов, упомянутые выше, нацелены на сгустки крови. Они не подходят для заблокированной фаллопиевой трубы, поскольку препараты, растворяющие закупорку в фаллопиевой трубе, еще не разработаны.

Спиральные микророботы достигают реканализации путем непосредственного приложения механической силы к закупорке. Была разработана система микророботов с магнитным приводом, которая может дистанционно управлять роботом в форме пули (диаметром 2 мм и длиной 15 мм), чтобы легко проникать в искусственный тромб в артериях живой свиньи. Магнитный робот в форме пули без спиральной структуры был изготовлен с помощью обычной обработки. Два небольших магнита были вставлены в головку для реагирования на внешний магнитный крутящий момент и силу. Этот робот применялся для локализации тромба и ускорения скорости тромболизиса. Маленький магнит ограничивает миниатюризацию.

В другом исследовании ученые изготовили спирального микроробота длиной 7.5 мм и диаметром 3 мм, который может выполнять навигационные и очищающие движения для очистки сгустков крови. Метод изготовления с высоким разрешением успешно интегрировал спиральную структуру и два острых наконечника на тонком цилиндре для облегчения движения и проникновения в закупорку. Были также и успешные разработки мягкого спирального робота (длиной 15 мм) на основе полосчатого магнитного состава. Этот спиральный робот может осуществлять реканализацию путем проникновения и извлечения сгустков крови через внешние вращающиеся магнитные поля. Однако размер всех этих роботов больше 1 мм. Следовательно, их нельзя применять в фаллопиевых трубах.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают магнитно-управляемый роботизированный микровинт для достижения реканализации фаллопиевой трубы. Магнитный роботизированный микровинт может двигаться в мелкомасштабной трубке через винтовой режим движения. Структура микровинта вокруг центральной цилиндрической трубки может генерировать механическую силу для сверления закупорки под вращающимся магнитным полем. Скорость движения и механическую силу можно модулировать путем изменения частоты вращения. Более того, вихревой поток, создаваемый вращающимся роботом, может транспортировать разрушенные фрагменты и повышать эффективность сверления.

Результаты исследования

Изображение №1

Ученые создали прототип микроробота в форме винта, состоящего из спирального корпуса, цилиндрической центральной трубки и дискообразного хвоста. Микромасштабная винтовая структура длиной 800 мкм и шириной 390 мкм изготовлена с помощью технологии 3D микрообработки с высоким разрешением. Вдохновленная характеристиками формы микроорганизмов (например, спирохет и сперматозоидов), спиральная структура вокруг цилиндрической центральной трубки используется в качестве основного корпуса робота для винтового движения. Дискообразный хвост добавлен, чтобы заставить микроробота вращаться вокруг центральной оси, а цилиндрическая центральная трубка используется для повышения стабильности структуры во время литографии. Магнитный микроробот сначала был создан на стеклянной подложке. Затем сверхтонкий слой железа, нанесенный с помощью магнетронного распыления, придает магнитные свойства, в то время как слой титана, нанесенный на поверхность железа, повышает как стабильность, так и биосовместимость (1b).

Изображение №2

Возможность движения робота определяется морфологией. Ученые спроектировали 4 типа магнитных микророботов на основе винтовой структуры, включая винтовую структуру, спиральную структуру с цилиндрической полостью, спиральную структуру с игольчатым хвостом и скрученную треугольную структуру (2a). Спиральная структура предназначена для создания силы движения, а игольчатая структура и треугольное лезвие предназначены для облегчения проникновения в закупорку.

Видео №1

Для анализа силы тяги магнитных микророботов проводилось гидродинамическое моделирование (видео №1). Линия потока скорости имеет очевидную осевую составляющую вдоль микроробота, что указывает на то, что микророботы оказывают эффект притяжения на жидкость. Поле вихревого потока создается перед микророботом на основе эффекта притяжения на жидкость. Движущая сила представляет механическую подвижность во время передвижения, а трение представляет собой способность бурения во время расчистки закупорки. Движущая сила микроробота пропорциональна частоте вращения поля до выхода из закупорки (2b). Когда роботы контактируют с закупоркой, движущая сила действует как нормальная сила, вызывая силу трения на закупорке. Коэффициент трения (μ) был равным 0.2, а трение (f) рассчитывалось по формуле f = F_d х μ (F_d — движущая сила, а μ — коэффициент трения). Следовательно, можно модулировать движущую силу и силу трения, управляя частотой. По сравнению с тремя другими структурами винтовая имеет преимущество как в движущей силе, так и в трении. Поэтому она и была выбрана для дальнейших опытов.

Изображение №3

Магнитный микроробот дистанционно управляется внешним магнитным полем (снимки выше и видео №2). Робот покрыт магнетронным распылением чрезвычайно тонким слоем железа. Сверхтонкий слой железа можно рассматривать как суперпарамагнитный материал. Поэтому намагниченность магнитных микророботов равна нулю без внешнего магнитного поля. Микроробот может быть намагничен под внешним магнитным полем. Стеклянный канал диаметром 1.7 мм используется для имитации фаллопиевой трубы. Генератор магнитного поля используется для создания статического поля и вращающегося магнитного поля с требуемой силой, направлением и частотой.

Видео №2

Чтобы проверить магнитную ответную реакцию, сначала магнитного микроробота приводили в действие под статическим полем. Когда микроробот подвергается воздействию внешнего магнитного поля, он естественным образом выравнивает свою ось с направлением поля (3a). Такое выравнивание позволяет точно контролировать ориентацию микроробота, манипулируя полем. Взаимодействие между магнитным моментом микроробота и внешним полем обеспечивает стабильное выравнивание, что позволяет осуществлять целевую навигацию и приведение в действие в биомедицинских приложениях. Микроробот следует за внешним магнитным полем и вращается (3b). Скорость движения робота последовательно тестировалась при частоте вращения магнитного поля 1–11 Гц, а результаты показаны на 3b. Видно, что скорость движения пропорциональна частоте вращения магнитного поля, что согласуется с результатами моделирования. Более высокая частота вращения приводит к более высокой скорости. Когда нужно проникнуть через закупорку, используется высокая частота вращения, чтобы увеличить скорость и движущую силу. Магнитные микророботы демонстрировали стабильную магнитную чувствительность в течение одной недели даже при хранении при комнатной температуре.

Изображение №4

Видео №3

Эффект реканализации магнитного микроробота на закупорку в стеклянной трубке, имитирующей фаллопиеву трубу, демонстрируется путем применения внешнего поля (снимки выше и видео №3). Большинство трубных обструкций представляют собой смесь клеточной слизи, состоящей из отделенных фрагментов эпителиальной ткани из воспаленных поражений фаллопиевых труб, вместе с другими клетками и выделениями. Был использован кластер клеток на основе клеток MDA-MB-231 (клетки рака молочной железы человека) для имитации обструкции. Трубка блокируется в центре этим кластером клеток (4a). Магнитные микророботы предварительно обрабатываются трипсином для повышения способности сверления при контакте с клетками в кластере.

Когда микроробот вращается по спирали, а его ось вращения выровнена параллельно стенке канала, между его боковой стенкой и каналом образуется большая контактная секция, создающая существенное сопротивление трения. Чтобы минимизировать это сопротивление, необходимо отрегулировать выравнивание магнитного поля. Наклонив ось вращения робота на 15º относительно стенки канала, контактная область значительно уменьшается, уменьшая трение. Эта регулировка позволяет магнитному микророботу достигать более быстрого движения, повышая эффективность и обеспечивая более плавную навигацию в ограниченном пространстве. Такой подход обеспечивает как снижение потребления энергии, так и улучшение производительности в сложных средах, таких как биологические каналы или микрофлюидные системы, где силы трения в противном случае могут препятствовать движению.

Микроробот быстро приближается к закупорке в режиме винтового движения. Когда микроробот касается клеток, он генерирует механические силы для сверления клеточного кластера под действием магнитного поля (10 Гц, 15 мТл). Когда клеточный кластер разрушается, диспергированные клетки, отделенные от кластера, притягиваются и транспортируются к задней части микроробота через вихревой поток (4b). Как показано на 4c, площадь клеточного кластера постепенно уменьшается в течение 18 секунд. За это время магнитный микроробот проникает в заблокированную область и полностью разрушает структуру препятствия на большой площади (4c), подтверждая возможность микроробота разблокировать непроходимость фаллопиевой трубы.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые описали созданный ими роботизированный микровинт, способный к спиральному движению и сверлению закупорок. Микроробот спроектирован со сложными структурами (спиральная структура, цилиндрическая центральная трубка и дисковый хвост) на основе технологии 3D микрообработки высокого разрешения. Структура микровинта генерирует движущую силу под действием вращающегося магнитного поля. Есть возможность модулировать скорость движения робота, которая достигает 1.5 мм/с, и его траекторию за счет изменения внешнего магнитного поля. В момент приближения к закупорке роботу было достаточно всего 18 секунд для ее разрушения.

Несмотря на успешность опытов, ученые намерены продолжить работу над совершенствованием своей разработки, в частности они хотят сделать робота еще меньше. Также они хотят внедрить систему визуализации, которая позволила бы в режиме реального времени отслеживать положение и движение робота внутри биологической системы.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?