Микророботы-пловцы для точечной доставки лекарств

Опубликовано в номере:
PDF версия
Команда Корнеллского университета (Cornell University, Итака, Нью-Йорк, США) создала роботов размером с клетку, которые могут приводиться в действие и управляться ультразвуковыми волнами. Разработанные микророботы могут использоваться для адресной доставки лекарств и для целого ряда других приложений, требующих осторожного вмешательства в человеческий организм.

Команда Корнеллского университета во главе с Минмингом Ву (Mingming Wu) создала роботов размером с клетку, которые могут приводиться в действие и управляться ультразвуковыми волнами. Несмотря на свой крошечный размер, эти микророботы-пловцы в один прекрасный день могут стать новым грозным инструментом для адресной доставки лекарств и для других тонких манипуляций.

Более десяти лет лаборатория Минминга Ву изучает способы миграции микроорганизмов, от бактерий до раковых клеток, и их взаимодействия с окружающей средой. Конечной целью исследователей было создание дистанционно управляемого микроробота, способного перемещаться в человеческом теле.

«Мы можем делать самолеты, которые сегодня летают лучше птиц. Но в биологическом микромире есть много примеров того, в чем природа справляется намного лучше нас. Так, бактерии, чтобы усовершенствовать свой способ функционирования, прошли миллиарды лет по пути эволюции, — сказал Минминг Ву. — Это привело нас к мысли, что мы действительно можем спроектировать что-то подобное. Если вы можете отправить лекарство в определенную область, например в раковые клетки, у вас не будет каких-либо значимых побочных эффектов».

По словам Минминга Ву, среди лучших свойств бактерий, достигнутых в ходе эволюции, можно отметить, что бактерии могут проплывать расстояние, в 10 раз превышающее длину их тела, за 1 с, а сперматозоиды могут плыть даже против течения.

Исследовательская группа Минминга Ву сначала пыталась спроектировать и напечатать на 3D-принтере микроробота, который имитировал бы способ, используемый бактериями, а именно применение жгутика для движения. Однако, как и у первых авиаторов, чьи громоздкие самолеты, чтобы подняться в воздух, были слишком похожи на птиц, эта попытка провалилась. Когда к лаборатории Минминга Ву присоединился еще и Ло (Luo), они вместе начали изучать менее биологический подход. Основная проблема заключалась в том, как привести микро­робот в действие. Поскольку человек, прежде чем сможет ходить, сначала начинает ползать, микроробот должен получить энергию до того, как сможет плавать.

«Бактерии и сперма в основном потребляют органические вещества из окружающей жидкости, и этого достаточно для их питания, — сказал Минминг Ву. — Но для инженерных роботов это сложно, потому что если у них есть аккумулятор, то робот будет слишком тяжел, чтобы двигаться».

Команде пришла в голову идея использовать высокочастотные звуковые волны. Поскольку ультразвук для человека не слышим, то есть работает тихо, его можно легко применить в экспериментальных лабораторных условиях. В качестве дополнительного бонуса технология была признана безопасной для клинических исследований Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (U.S. Food and Drug Administration).

Однако процесс изготовления поставил команду в тупик. Работая с научно-технологическим центром Cornell NanoScale (CNF), который является одним из шестнадцати членов Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий, Ло попытался создать прототип с помощью фотолитографии, но это потребовало много времени, а результаты оказались непригодными для исследований.

Проект получил решающий импульс, когда Cornell NanoScale приобрел новую систему лазерной литографии под названием NanoScribe, которая создает трехмерные наноструктуры путем прямой записи на светочувствительную смолу. Эта технология позволила исследователям легко настраивать конструкции в микрометрическом масштабе и быстро создавать новые итерации.

За шесть месяцев Ло создал тре­угольного микроробота-пловца, который выглядит как насекомое, скрещенное с ракетным двигателем (рисунок). Самая важная особенность пловца-микроробота — это пара впадин, каверн на его спине. Поскольку полимерный материал, из которого он изготовлен, является гидрофобным, то, когда робот погружается в раствор, крошечные пузырьки воздуха автоматически захватываются в каждой полости. Когда ультразвуковой преобразователь направлен на робота, пузырь воздуха колеблется, создавая вихри, также известные как струйное течение, или обтекающий поток, толкающий пловца-микроробота вперед.

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает пловца-микроробота размером с клетку, который может приводиться в движение и управляться ультразвуковыми волнами

Рисунок. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает пловца-микроробота размером с клетку, который может приводиться в движение и управляться ультразвуковыми волнами.
Изображение предоставлено Корнеллским университетом

Другие инженеры ранее создавали подобных пловцов с «одним пузырьком», но исследователи из Корнелла первыми разработали версию, в которой используются два пузырька, каждый разного диаметра в соответствующей по объему полости. Изменяя резонансную частоту звуковых волн, исследователи могут возбуждать оба пузырька либо настраивать их по­очередно, тем самым контролируя, в каком направлении будет двигаться пловец-микроробот.

«Перед нами стоит задача сделать роботов-пловцов биосовместимыми, чтобы они могли перемещаться между кровяными тельцами примерно такого же размера, как они сами. Будущие пловцы-микророботы также должны состоять из биоразлагаемого материала, чтобы можно было запускать сразу несколько микророботов. Точно так же, как для успешного оплодотворения требуется только один сперматозоид, ключевым моментом здесь является объем запуска микророботов. Для доставки лекарств у вас может быть группа пловцов-микророботов, и, если один из них потерпит неудачу во время своего пути к месту назначения, это не проблема, ее выполнят другие. Вот так же выживает и природа, — сказал Минминг Ву и продожил: — В каком-то смысле это более надежная система. Меньше не значит слабее, сила в коллективе, достаточная группа непобедима. Мне кажется, что эти вдохновленные природой инструменты будут более устойчивы, потому что природа уже доказала, что эти принципы работают».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.