Медицина
Технології

Що таке мікророботи? Наскільки вони малі? Як вони можуть змінити медицину?

Що таке мікророботи? Це звичайні роботи, але маленькі?

Мікро/нанороботами називають мініатюрні об'єкти, що складаються з корисного вантажу й оболонки та керуються завдяки зовнішнім силам для виконання певних задач. 

Мікророботи значно відрізняються від своїх великих братів, що обумовлено їхнім розміром і призначенням. Мікророботи зазвичай менші за міліметр і більші 1 мікрометра. Якщо у порівнянні, то масштаб цих крихітних роботів десь із товщину людської волосини. Мікророботами доволі часто називають пристрої, що перевищують стандартизовану шкалу і які насправді відносяться до мілі- або ж мініроботів, іноді тому, що ці розробки у перспективі мають зменшитися. Тож на меті розробників побудувати функціональних нанорозмірних роботів, які будуть меншими за типову бактерію. Наномасштаб представлений об'єктами розміром менше мікрометра. Діаметр молекули сахарози дорівнює приблизно 1 нанометру, спіраль ДНК має в діаметрі 2 нанометри, а от розмір вірусів від 20 до 300 нанометрів. Тобто розмір наноробота настільки малий, що його не може розгледіти людське око, отже розробка таких пристроїв задача не з простих.

Тож для чого їх створюють?

Такі роботи можуть бути корисними в екологічних цілях. Їх вже активно тестують для очищення забруднених ґрунтів і стічних вод. Також вчені хочуть використовувати мікромашини для дослідження середовищ або для пошуку тих, хто вижив після землетрусу чи іншого катаклізму. Виконуються спроби застосувати мініатюрних роботів для робіт, які через такий розмір не можуть виконувати звичайні роботи або ж люди. Таким чином можна було б проводити огляд техніки на предмет пошкоджень і одразу ремонтувати їх.

Через малий розмір мікророботи потенційно мають стати дуже дешевими. Крихітний розмір, рухливість, керованість, а також можливість додавання нових якостей робить цю технологію доволі перспективною, але на її удосконалення потрібен час і більше досліджень.

Найбільше дослідів проводиться у медицині, тож досягнення медичних роботів мають значно покращити цю сферу та якість життя. Мініатюризація роботизованих платформ призводить до удосконалення точності у сфері медицини. Мікро- та нанороботи розробляються для їх використання у діагностиці захворювань у режимі реального часу, у терапії, хірургії та медичній візуалізації. Маленькі пристрої можуть використовуватися для адресної доставки ліків до пошкоджених тканин та органів. Такі роботи можуть навчитися робити біопсію, забираючи клітини для аналізу, а також проводити маніпуляції з окремими клітинами та застосовуватися у малоінвазивній хірургії.

Як саме можуть застосовувати цих роботів у медицині?

Наприклад, мікророботи можуть плавати в заданому напрямку для таргетної терапії, тобто прицільної доставки ліків у необхідне місце, не зачіпаючи решту організму. Це значно зменшує побічні ефекти зі збереженням ефективності лікування. Можливо, у майбутньому пацієнту із раком замість хімієтерапії буде запропонована альтернатива у вигляді ін'єкції з нанороботом, який шукатиме ракові клітини й прицільно знищуватиме їх, залишаючи інші клітини недоторканими, на відміну від традиційного лікування, яке вбиває і здорові клітини. 

Або ж, завдяки мікророботам пропонується у майбутньому лікувати нейродегенеративні захворювання, адже у пошуках їх терапії вчені стикаються із перешкодою у вигляді гематоенцефалічного бар'єра, що захищаючи мозок, запобігає проникненню більшості препаратів. Тож мікродоставники могли б відправити стовбурові клітини інтраназальним шляхом (через ніс) точно в ціль, що має потенціал для ефективного лікування розладів центральної нервової системи мінімально інвазивним способом. 

Тоді як їх виготовляють? І який вони мають вигляд?

Мікророботи можуть бути дуже різними. Їх друкують на 3D-принтері, розробляють і виготовляють із використанням фотолітографії, лазерної літографії, наноелектроніки та новітніх біоматеріалів, і вони можуть бути у вигляді біочіпів. Наномашинами можуть виступати біологічні пристрої: сперматозоїди, еритроцити, кишкові палички, ДНК, віруси, бактерії, водорості чи клітини жаб (ксеноботи).

Форма пристроїв може варіюватися в залежності від багатьох характеристик. Від неї залежить те, як робот буде пересуватися, тому часто роботам надають форму трубочок, сфер, конусів та спіралей. Але іноді роботи мають цікавіші форми. У нещодавньому дослідженні хімієтерапевтичний препарат доставляли надруковані на 3D-принтері з гідрогелю мікророботи у вигляді краба, риби й метелика. Гідрогель, що використали дослідники, реагував на pH, тому завдяки своїй формі, коли мікроробот-риба досягав ракових клітин у змодельованих умовах, риба відкривала рота, реагуючи на кисле середовище і випускала ліки.

А як керують мікророботами та звідки вони отримують живлення?

Жодна батарея не є достатньо маленькою для заряду мікророботів, тому як основне джерело енергії вони мають використовувати доступні запаси. Тобто якщо мікроробот має подорожувати у кровотоку, то бажано, щоб живлення відбувалося з крові або ж зовнішнім впливом. Паливом для доставки мікроробота до заданої цілі, а також його навігації використовують хімічні реакції, магніти, світло або ультразвук. Усі елементи, як то форма, конструкція мікроробота, матеріал, з якого він виготовлений, покриття, а також концентрація палива мають дуже велике значення у роботі й пересуванні пристрою.

Хімічний двигун використовує енергію хімічних реакцій (взаємодії каталізаторів з реагуючими речовинами) на поверхні пристрою, створюючи бульбашки газу, тим самим пересуваючи об'єкт. Автори однієї з робіт  використовували мікроракети у вигляді порожніх мікротрубочок з нанесеною на внутрішній частині платиною у якості каталізатора, що прискорює хімічні реакції. Тонкий її шар пришвидшив розпад перекису водню, що виступав у якості палива. Відбувалася хімічна реакція розпаду перекису на водень і кисень з виділенням газу. Таким чином формувався «реактивний струмінь» з бульбашок, який підштовхував пристрій до руху. 

Завдяки магнітному полю роботів легко контролювати ззовні. Зовнішній контроль обумовлює те, яким буде матеріал і покриття майбутнього робота, аби ним було легко керувати й наглядати за його переміщенням. Найчастіше розробники обирають покриття нікелем, кобальтом або залізом. Так, вчені створили мікросфери з оксиду кремнію, одну половину яких покрили золотом і нікелем для обертання та управління, а іншу — хімієтерапевтичним препаратом доксорубіцином та біомолекулами, що розпізнають ракові клітини. Мікрочастинки рухалися у будь-якому напрямку, навіть проти течії. Коли мікросфера добиралася до ракових клітин, її опромінювали ультрафіолетом, оскільки доксорубіцин вивільняється світлом. 

Є й такі роботи, що пересуваються завдяки світлу. Принцип їхньої роботи може полягати у тому, що через асиметрію при опроміненні світлом різні частини мікроробота нагріваються нерівномірно, внаслідок чого виникає явище термофорезу — коли тіло переміщується з гарячої зони в холоднішу. В одному з експериментів вчені створили такого робота за допомогою фотолітографії зі світлочутливого полімерного матеріалу, покривши його шаром золота. Мікроробот складався з трьох асиметричних мікротрубочок, у підставі якого було більше золота, тож температура при наведенні лазера там підіймалася вище. Через це виникав ефект термофорезу і мікроракета переміщувалася з гарячого середовища в холодніше. Вона могла повертати при наведенні світла на бічні трубочки й рухалася прямо, якщо приціл був спрямований на основу. Для стеження за нею використали нещодавно розроблений метод фотоакустичної томографії.

Окрім вищенаведених двигунів, може використовуватися ультразвук, завдяки якому пристрій вібрує і крутиться навколо своєї осі, таким чином просуваючись в заданому напрямку. Популярними є і біологічні двигуни, наприклад, бактерії, що рухаються шляхом обертань, або ж сперматозоїди, рух яких оснований на битті джгутика.

Одним із найбільш перспективних методів є використання каталітичної енергії ферментів, де паливом слугують природні речовини організму. Так, мініатюрний двигун у вигляді нанотрубки, створений з діоксиду кремнію, науковці покрили уреазою — ферментом, який розщеплює сечовину на вуглекислоту й аміак. Якщо такого наноробота помістити у рідину, що містить сечовину, продукти реакції створять потік, який дає трубці прискорення. Ці роботи повністю біосумісні — на відміну від металічних каталізаторів, вони не призводять до утворення бульбашок газу, а уреаза і так наявна в організмі.

Як вчені тестують цих роботів?

У залежності від того, для яких цілей створюється той чи інший мікроробот, надалі його роботу перевіряють на моделях, що близькі до людських рідин, тканин, органів. Це дозволяє імітувати необхідну в'язкість, близьку до природного середовища. Так використовували морську воду, гумові судини, наповнені гліцерином та бичачою кров'ю, сечу, шлунковий сік, сироватку крові, або щось більш екзотичне, як, наприклад, арахісове масло. Також тести проводили на органоїдах, лініях ракових клітин, свиному оці та у вусі анестезованої миші. Поки що мало які розробки доходять до експериментів на тваринах, але вони є.

Для того, аби спостерігати за рухом мікророботів, традиційні методи на кшталт КТ, МРТ або рентгену не підходять, тому найчастіше вчені звертаються до фотоакустичної томографії та фотоакустичної мікроскопії, позитронно-емісійної томографії, поєднаної з комп'ютерною (ПЕТ-КТ).

Що ж перешкоджає впровадженню у практику мікророботів?

Використання мікро- й нанороботів у точній медицині поки стикається із технічними, нормативними та ринковими проблемами щодо широкого використання в клінічних умовах, проте дослідження демонструють їхній потенціал. 

Мікророботи мають зменшитися у розмірі аби пересуватися у кровотоці. Фізика таких малих пристроїв дуже не інтуїтивна, тож доволі складно керувати такими об'єктами. До того ж вони мають бути мобільними, швидкими, легко пересуватися і бути ідеально точними, аби в перспективі увійти у практику використання на людях.

Ці крихітні доставники не мають завдавати шкоди або бути токсичними для організму. Отже, якщо хімічні двигуни зазвичай мають достатню швидкість пересування, то їхній мінус полягає у тому, що перекис водню і бульбашки газу є не надто бажаними гостями в людському організмі. Пристрої виготовлені із кобальту та деяких рідкоземельних матеріалів можуть бути токсичними. А біороботи можуть проникати і розмножуватися небажаними шляхами.

Поєднання безпечності, біосумісних якостей і можливості протистояти імунній системі організму також важкодосяжна ціль. Мікроробот має проходити у в'язкому середовищі крові, стикатися із такою перешкодою, як слиз, синовіальна і внутрішньоочна рідини. Деякі з пристроїв розробляють задля доставки вантажу до таких важкодоступних місць, як головний мозок або задня частина ока, тому їх слід навчити проходити через гематоенцефалічний та гематоретинальний бар'єри.

Задля багатьох цілей може знадобитися велика кількість мікророботів. Це вже має назву ройової робототехніки, де складність полягає у тому, що важко досягти узгодженого руху рою.

Тож аби забезпечити потужне біомедичне застосування мобільних роботів, необхідно вирішити багато фундаментальних проблем. Зазвичай медичні технології проходять довгий шлях від лабораторії до використання на людях, що займає у багатьох випадках кілька десятиліть. Тому більшість розробок не доходять до стадії комерціалізації. До того ж увесь шлях удосконалення технології пов'язаний із великими витратами. Тим не менш, у цій галузі досягнуто вже значного прогресу і спочатку необхідно стандартизувати методології та відтворюваність досліджень на мікро- та нанороботах, щоб пояснити переваги такої терапії над традиційними методами, які вже відповідають стандартам Управління з продовольства та медикаментів США (FDA).