Roboții miniaturali vor aduce o nouă perspectivă în medicina modernă

Imaginați-vă mici roboți care lucrează în zonele bolnave ale corpului nostru, de exemplu în interiorul unei tumori, în vasele de sânge pe cale să se blocheze sau chiar în intestine, efectuează reparațiile necesare și transportă și eliberează diferite medicamente numai în aceste regiuni bolnave. De fapt, până acum acest subiect a fost abordat în mai multe filme științifico-fantastice. Însă aceste idei, care par desprinse din imaginație, par să devină realitate în viitor.

În domeniul roboților medicali de mici dimensiuni, miliroboții sunt roboți ale căror componente au dimensiuni de 1 milimetru sau mai mari. Microroboții sunt însă mult mai mici, dimensiunile lor putând varia de la 1 micrometru la 1 milimetru.

Notă: Motivul pentru care acești roboți sunt numiți miliroboți este asemănarea structurii primelor prototipuri cu cea a miriapodelor. În latină, „mille (o mie)”–„pedes (picioare)” înseamnă „miriapod”.

Tipuri de roboți miniaturali

Endoscoapele-capsulă

Endoscoapele-capsulă sunt un bun exemplu de miliroboți (Figura 1). În prezent observăm că endoscopia cu capsulă intră într-un ritm tot mai rapid în practica clinică. Acești roboți, de dimensiunea unei pastile și prevăzuți cu o cameră, sunt înghițiți, filmează în timp ce trec prin stomac și intestine și transmit, de obicei, imaginile unui dispozitiv de înregistrare aflat în afara corpului. Ulterior, medicii pot examina aceste imagini pentru a diagnostica boli gastrointestinale. Cel mai mare avantaj față de metodele endoscopice clasice este confortul pacientului. Printre principalele limitări care trebuie depășite în viitor se numără imposibilitatea prelevării unei biopsii din zona bolnavă și a efectuării unor tratamente intervenționale. Totuși, sunt dezvoltate și endoscoape-capsulă capabile să efectueze biopsii.

Roboții moi ghidați magnetic

Un alt exemplu îl reprezintă roboții moi feromagnetici continui (continuum), dezvoltați recent. Acești roboți au o structură subțire și alungită. De fapt, seamănă cu niște catetere (Figura 2). Datorită materialului magnetic din structura lor, pot fi puși în mișcare printr-un câmp magnetic aplicat din exterior. Anul trecut, cercetătorii au arătat că îi pot ghida într-un model neviu care imită structura vaselor cerebrale. Se preconizează folosirea lor în special în anevrismele vaselor cerebrale (dilatări în formă de balon) și pentru îndepărtarea mecanică a cheagurilor de sânge în accidentele vasculare cerebrale ischemice acute.

Dacă privim domeniul microroboților medicali, vedem o gamă mult mai largă. Până acum au fost prezentate numeroase prototipuri. Domeniile de utilizare variază de la transportul moleculelor medicamentoase până la deplasarea celulelor imunitare și transportarea lor în regiunile bolnave vizate.

Roboții microînotători

De fapt, în cazul celor mai multe prototipuri, cercetătorii se concentrează pe rezolvarea problemelor de bază. Inginerii și oamenii de știință se confruntă cu numeroase probleme: punerea în mișcare și ghidarea acestor roboți minusculi, traversarea membranelor și barierelor biologice, încărcarea moleculelor medicamentoase și evitarea răspunsului celulelor imunitare la structurile străine.

Prof. dr. Metin Sitti, omul nostru de știință pionier în roboții miniaturali, și cercetările sale

Prin cercetările sale în acest domeniu, prof. dr. Metin Sitti și echipa sa ne fac țara mândră și realizează la Institutul Max Planck din Germania studii care atrag tot mai mult atenția. În cercetarea publicată recent au arătat că, în structura microroboților elicoidali microînotători (microswimmers) , numărul diferit de spire determină răspunsuri diferite ale celulelor imunitare și că, prin modificarea numărului de spire ale elicei, microroboții pot evita celulele imunitare ale organismului (Figura 3). Astfel, urmăresc să reducă riscul ca microroboții să provoace reacții alergice periculoase în corpul uman.

Roboții care se rostogolesc la scară microscopică

Tot în acest an, Metin Sitti și echipa sa au propus, în studiul publicat în revista științifică Science Robotics, că microroboții care se rostogolesc (microrollers)ar putea fi folosiți pentru transportul medicamentelor în condiții de flux sanguin (Figura 4). Nucleul acestor microroboți este alcătuit din silice, iar suprafața exterioară este acoperită cu aur/nichel.

Acești roboți sunt puși în mișcare printr-un câmp magnetic, iar partea de silice poate fi încărcată cu agenți terapeutici țintiți; se preconizează că se vor putea deplasa prin rostogolire în vasele de sânge. Pentru a-i testa experimental, Sitti și echipa sa de cercetare folosesc în laborator modele care reprezintă medii vii.

Utilizarea bacteriilor ca microroboți

Un alt sistem conceput de ei funcționează astfel: bacteriile sunt atașate globulelor roșii umane (eritrocite) prin complexul biotină–avidină, această legătură având cea mai mare forță de legare cunoscută între legăturile necovalente; eritrocitele sunt încărcate cu oxizi de fier care pot fi ghidați printr-un câmp magnetic și, în același timp, în interiorul lor este încărcat, de exemplu, medicamentul anticanceros doxorubicină. În timp ce flagelii bacterieni asigură energia necesară mișcării, ghidarea magnetică ar putea permite transportul acestor structuri în regiunea dorită din corp (Figura 5).

În concluzie, după cum vedem, în acest domeniu sunt dezvoltate numeroase prototipuri, iar experimentele continuă. Totuși, este posibil să mai avem un drum lung de parcurs înainte ca microroboții medicali să ducă la tratamente revoluționare în viitor, deoarece domeniul se ocupă în prezent de rezolvarea problemelor de bază și încă nu s-a putut începe testarea cercetărilor în modele in vivo (vii). Cu toate acestea, studiile realizate într-un ritm amețitor ne încurajează să privim viitorul cu speranță.

Cine este Metin Sitti?

Prof. Metin Sitti și-a obținut diplomele de licență și de master la Departamentul de Inginerie Electrică și Electronică al Universității Boğaziçi, iar doctoratul în 1999 la Departamentul de Inginerie Electrică al Universității din Tokyo. În Statele Unite, a lucrat ca cercetător postdoctoral și cadru universitar la Universitatea California, Berkeley, între 1999-2002 și ca profesor la Universitatea Carnegie Mellon între 2002-2016. Din 2014 lucrează ca director la Institutul pentru Sisteme Inteligente al Societății Max Planck din Germania. Din 2018 lucrează și ca profesor cu normă parțială la facultățile de medicină și inginerie ale Universității Koç. Cercetările sale acoperă numeroase teme din microrobotică și sisteme inteligente, precum microroboții și dispozitivele medicale, roboții miniaturali inspirați din natură și roboții moi. Pentru a comercializa adezivii din microfibre pe care i-a inventat, inspirați de perișorii de pe picioarele șopârlelor gecko, a înființat în 2009, în SUA, compania startup nanoGriptech A.Ș.; din 2018, acest adeziv foarte inovator este folosit în numeroase produse de pe piață.

Printre numeroasele premii și titluri ale lui Metin Sitti se numără Medalia pentru Știință Rahmi Koç din 2018, premiul ERC Advanced Grant din 2019, premiul pentru cel mai bun articol la conferința Robotics Science & Systems din 2019, titlul IEEE Fellow din 2014, premiul IEEE/ASME pentru cel mai bun articol de mecatronică din 2014, premiul SPIE Nanoengineering Pioneer din 2011 și premiul National Science Foundation CAREER din 2005. Are peste 450 de articole în reviste și conferințe cu evaluare de specialitate. Peste 250 de articole de revistă au fost publicate în reviste de prim rang, printre care Nature, Nature Materials, Nature Communications, Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Robotics, Science Advances și Advanced Materials. Aceste articole au primit până acum peste 22,000 de citări. Cea mai recentă carte a sa, „Mobile Microrobotics”, a fost publicată de MIT Press în 2017. A susținut peste 200 de prelegeri ca invitat la conferințe importante din domeniu, universități și companii. De asemenea, este redactor-șef al revistelor Progress in Biomedical Engineering și Journal of Micro-Bio Robotics.