Minyatür robotlar, modern tıbba yeni bir anlayış getirecek

Küçük robotların vücudumuzda hastalıklı bölgelerde, örneğin tümör içerisinde, tıkanmak üzere olan damarlar içinde ve hatta bağırsaklarımızın içinde çalıştığını, gerekli onarımları yaptığını, çeşitli ilaçları sadece bu hastalıklı bölgelere götürüp, bıraktığını hayal edin. Aslında, bugüne dek bu konu birden çok bilim-kurgu filminde işlendi. Ama kulağa hayal ürünüymüş gibi gelen bu fikirler gelecekte gerçek olacak gibi.

Küçük boyutlu medikal robotlar konusunda millirobotlar, içlerindeki parçaların boyutlarının 1 milimetre ve üstü olduğu robotlardır. Mikrorobotlar ise çok da küçük boyuttadır, öyle ki boyutları 1 mikrometreden 1 milimetreye kadar değişebilmektedir.

Not: Bu robotların millirobot olarak adlandırılmasının sebebi ilk prototiplerdeki yapılarının kırkayaklara benzetilmesidir. Latincede ‘’mille (bin)’’-‘’pedes (ayak)’’, ‘’kırkayak’’ anlamına gelmektedir.

Minyatür robot çeşitleri

Kapsül endoskoplar

Millirobotlara iyi bir örnek olarak kapsül endoskoplar verilebilir (Şekil 1). Günümüzde, kapsül endoskopinin giderek artan bir hızla klinik pratiğe girdiğini görüyoruz. Bir hap boyutunda olan ve yapısında kamera bulunan bu robotlar yutulduktan sonra mide ve bağırsaklarımızdan geçerken buraları filme almakta ve bu görselleri genellikle vücut dışındaki bir kayıt cihazına göndermektedir. Bu görüntüler daha sonra hekimler tarafından incelenerek gastrointestinal hastalıkların tanısı konulabilmektedir. Klasik endoskopik yöntemlere göre en büyük avantajı, hasta konforudur. İleride geliştirilmesi gereken eksikliklerinin başında ise hastalık bölgesinden biyopsi örneği alamaması ve girişimsel tedavilerde bulunamaması gelmektedir. Bununla birlikte biyopsi yapabilen kapsül endoskoplar da geliştirilmektedir.

Manyetik akımla yönlendirilen yumuşak robotlar

Bir diğer örnek de yakın zamanda geliştirilmiş ferromanyetik yumuşak sürekli (continuum) robotlardır. Bu robotlar ince ve uzun bir yapıdadır. Aslında kateterlere benzemektedir (Şekil 2). Yapılarındaki manyetik materyal sayesinde dışarıdan uygulanan manyetik alan ile bu robotlar hareket ettirilebilmektedir. Araştırmacılar geçtiğimiz yıl bu robotları, beyin damar yapısını taklit eden cansız bir modelde yönlendirebildiklerini gösterdiler. Bu robotların özellikle beyin damar anevrizmalarında (baloncuk) ve akut iskemik inmelerde (beyin felci) kan pıhtısının mekanik olarak açılmasında kullanılması öngörülmektedir.

Medikal mikro-robotlara bakacak olursak çok daha geniş bir yelpazenin varlığını görebiliriz. Şu ana kadar ortaya koyulmuş birçok prototip bulunmaktadır. Kullanım alanları ilaç moleküllerinin iletilmesinden, bağışıklık hücrelerinin hareket ettirilip istenilen hastalık bölgelerine taşınmasına kadar değişmektedir.

Mikroyüzücü robotlar

Aslında çoğu prototipte araştırmacılar temel problemleri çözmeye odaklanmaktadır. Örneğin bu minik robotların hareket ettirilmesi, yönlendirilmesi, biyolojik zarların-engellerin aşılması, ilaç moleküllerinin yüklenmesi, bağışıklık hücrelerinin yabancı yapılara verdiği yanıttan kaçmaları gibi bir sürü problem mühendislerin ve bilim insanlarının karşısına çıkmaktadır.

Minyatür robotlar konusunda öncü Bilim İnsanımız Prof. Dr. Metin Sitti ve çalışmaları

Bu alanda araştırmaları ile ülkemizi gururlandıran Prof. Dr. Metin Sitti ve ekibi, Almanya’da Max Planck Enstitüsünde, her geçen gün ses getiren çalışmalara imza atmaktadırlar. Yakın zamanda yayımlanan çalışmalarında mikroswimmer-mikroyüzücü helikal mikrorobotların yapılarındaki farklı dönüş sayısının bağışıklık hücrelerinde farklı cevaplara neden olduğunu ve heliks dönüş sayısının değiştirilerek mikrorobotların vücudun bağışıklık hücrelerinden kaçabileceğini gösterdiler (Şekil 3). Böylelikle mikrorobotların, insan vücudunda tehlikeli alerjik reaksiyonlara neden olma riskini azaltmayı hedeflemekteler.

Mikroyuvarlanan robotların

Yine bu yıl Metin Sitti ve ekibi, Science Robotics isimli bilim dergisinde yayımlanan çalışmalarında microroller-mikroyuvarlanan robotların, kan akımı altında ilaç iletiminde kullanılabileceğini ortaya sürdüler (Şekil 4). Bu mikrorobotların çekirdeği silikadan oluşmakta ve dış yüzeyi de altın/nikel ile kaplı.

Bu robotlar, manyetik alan ile hareket ettirilmekte ve silika kısmına hedefe yönelik tedavi ajanları yüklenebilmekte ve kan damarları içerisinde yuvarlanarak hareket edebilecekleri ön görülmektedir. Sitti ve araştırma ekibi de bunları deneysel olarak test etmek için laboratuvarda canlı ortamları temsil eden modeller kullanmaktalar.

Bakterilerin mikrorobot olarak kullanılması

Bir diğer tasarladıkları sistem de şöyle: insan kırmızı kan hücrelerine (eritrositler) bakterilerin bağlanması (biotin-avidin kompleksi aracılığıyla, bu bağ nonkovolant bağlar arasında bilinen en yüksek bağlanma gücüne sahip bağlanma şeklidir) ve eritrositlere manyetik alan ile yönlendirilebilen demir oksitlerin yüklenmesi ve aynı zamanda eritrositlerin içine örneğin antikanser ilacı olan doksurubisinin yüklenmesi. Bakteri flagellaları (kamçı) hareket için gerekli enerjiyi sağlarken manyetik yönlendirme bu yapıların vücutta istenilen bölgeye taşınmasını mümkün kılabilir (Şekil 5).

Sonuç olarak, görüldüğü gibi birçok prototip bu alanda geliştirilmekte ve deneylere devam edilmektedir. Ancak gelecekte medikal mikrorobotların çığır açan tedavilere yol açabilmeleri için önümüzde alınması gereken uzunca bir yol alabilir çünkü bu alan günümüzde primer problemleri çözmekle uğraşmaktadır ayrıca araştırmaların in vivo (canlı) modellerde test edilmesine henüz başlanılamamıştır. Yine de baş döndürücü hızla yapılan çalışmalar bizi geleceğe umutla bakmaya ikna etmektedir.

Metin Sitti kimdir?

Prof. Metin Sitti lisans ve yüksek lisans derecesini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'nden ve doktora derecesini 1999’da Tokyo Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü'nden almıştır. Amerika’da Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nde 1999-2002 yılları arasında doktora sonrası araştırıcı ve öğretim üyesi ve Carnegie Mellon Üniversitesi’nde 2002-2016 yılları arasında profesör olarak çalışmıştır. 2014 yılından itibaren Almanya’daki Max Planck Topluluğu’nun Akıllı Sistemler Enstitüsü’nde direktör olarak çalışmaktadır. 2018 yılından itibaren de Koç Üniversitesi’nin tıp ve mühendislik fakültelerinde kısmi zamanlı profesör olarak çalışmaktadır. Araştırmaları, tıbbi mikro-robotlar ve cihazlar, doğadan esinlenen minyatür robotlar ve yumuşak robotlar gibi mikro-robotik ve akıllı sistemler bünyesindeki çok çeşitli çalışma konularını kapsamaktadır. İcat ettiği gecko kertenkelesinin ayak tüylerinden esinlenen mikro-fiber yapıştırıcıları ticarileştirmek için 2009 yılında Amerika’da nanoGriptech A.Ş. adındaki startup şirketini kurmuştur ve bu çok yenilikçi yapıştırıcı 2018’den itibaren piyasada birçok üründe kullanılmaktadır.

Metin Sitti’nin sahibi olduğu çok sayıdaki ödül ve unvanlar arasında; 2018 yılında Rahmi Koç Bilim Madalyası, 2019 yılında ERC Advanced Grant Ödülü, 2019 yılında Robotics Science & Systems Konferansı’nda En İyi Makale Ödülü, 2014 yılında IEEE Fellow ünvanı, 2014 yılında IEEE/ASME En İyi Mekatronik Makale Ödülü, 2011 yılında SPIE Nanoengineering Pioneer Ödülü ve 2005 yılında National Science Foundation CAREER Ödülü sayılabilir. Hakemli dergi ve konferanslarda 450’den fazla makalesi bulunmaktadır. 250’nin üzerindeki dergi makalesi, Nature, Nature Materials, Nature Communications, Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Robotics, Science Advances ve Advanced Materials’ın da aralarında bulunduğu önde gelen dergilerde yayımlanmıştır. Bu makaleler şu ana kadar 22,000’ün üzerinde atıf almıştır. “Mobile Microrobotics” adındaki en son ki kitabı MIT Press tarafından 2017 yılında basılmıştır. Alanındaki önemli konferanslarda, üniversitelerde ve firmalarda 200’in üzerinde davetli konuşma vermiştir. Ayrıca Progress in Biomedical Engineering ve Journal of Micro-Bio Robotics dergilerinin ana editörlüğünü yapmaktadır.