המנתחים יפרסו בקרוב צבאות של רובוטים זעירים כדי לבצע מיקרו-בורגרסיות בגוף. למרות שזה יכול להיראות כמו מדע בדיוני , צוות מחקר מאוניברסיטת דרקסל פיתח טכנולוגיה מיקרו-רובוטית שנחשבת למשימה חשובה - קידוח באמצעות עורקים סתומים.
לוחות פרוזדורים נוצרים כאשר שומן, כולסטרול, סידן וחומרים אחרים מופקדים על דפנותיהם הפנימיות של העורקים, הנושאים דם בכל הגוף. עם הזמן העורקים הללו מתקשים וצרים. תהליך זה המכונה טרשת עורקים מגביל את יכולתו של דם עשיר בחמצן להגיע לאיברים חיוניים ומעלה את הסיכון להתקף לב או שבץ מוחי. למרות שהגורם לטרשת עורקים אינו ידוע, שילוב של הרגלים (כמו רמת פעילות, עישון ותזונה), גורמי סיכון גנטיים וגילם תורמים להתפתחותו. שתי גישות כירורגיות קונבנציונאליות לעורקים חסומים הן ניתוחי ניתוח לב ועיכול. במהלך ניתוח אנגיופלסטיס, מנתח כלי הדם מנפח בלון קטן בתוך כלי הדם ומחדיר צינור רשת מתכת הנקרא סטנט בכדי להחזיק את העורקים פתוחים ולשפר את זרימת הדם. לעומת זאת, ניתוח מעקפים כרוך מחדש את זרימת הדם באמצעות ורידים או עורקים חסומים כדי לעקוף את העורק הצר.
עם זאת, החידוש החדש הזה בננו-רפואה, מקבל צורה של חרוזי מיקרו קטנים המתחברים יחד ליצירת מבנה דמויי פקק המסוגל לנווט במים הבוגדניים של מערכת כלי הדם בגוף. השחיינים המיקרו מורכבים מחרוזי תחמוצת ברזל זעירים עד 200 ננומטר, המחוברים זה לזה בשרשרת. חרוזים אלה "מורכבים מחומרים אורגניים וביו-תואמים שלא יפעילו תגובה אימונולוגית", אומר מינ ג'ון קים, פרופסור במכללה להנדסה באוניברסיטת דרקסל.
כדי לגרום לתנועה דרך זרם הדם, השרשרת חשופה לשדה מגנטי חיצוני מכויל היטב. סיבוב שדה זה גורם לשרשרת ליצור מבנה סלילי מסתובב המניע את עצמו דרך זרם הדם. תכונותיו של שדה מגנטי זה מסייעים גם בקרת המהירות, הכיוון והגודל של שרשרת המיקרו-שחיין (המשפיע על הכוח איתו הוא נע) על סמך אופי הסרת העורקים.
"השימוש במיקרו-רובוטים ברפואה הוא באמת תחום חדש לגמרי, הדורש רקע מחקרי רב-תחומי חזק", אומר קים.
העיצוב הייחודי לשחיין המיקרו נוצר בהשראת הטבע עצמו - מיקרואורגניזם שנקרא Borrelia burgdorferi . (אוניברסיטת דרקסל) העיצוב הייחודי לשחיין המיקרו נוצר בהשראת הטבע עצמו - מיקרואורגניזם שנקרא Borrelia burgdorferi . המבנה הספירלי של חיידק זה, האחראי לגרימת מחלת ליים, מאפשר לו לחדור בקלות נוזלי גוף ולגרום לנזק נרחב.
על מנת להסיר פלאק עורקי, המדענים ישתמשו בקטטר כדי להעביר את השחיינים במיקרו ובמקדח כלי דם זעיר בכדי לפנות את העורק הסגור. עם הפריסה, השחיינים המיקרו יפתחו במתקפה הראשונית שמשחררת את הלוח המוקשה, אשר בתורו יסתיים על ידי המקדחה הכירורגית. לאחר הניתוח, החרוזים המתכלים נועדו לשחרר תרופות נוגדות קרישה לזרם הדם כדי לסייע בקשירת הצטברות רובד בעתיד.
"הטיפולים הנוכחיים לסתימה מוחלטת כרונית מצליחים רק כ -60 אחוז", אמר קים בהודעה לעיתונות . "אנו מאמינים שהשיטה שאנו מפתחים עשויה להיות גבוהה כמו 80 עד 90 אחוז מוצלחים ואולי לקצר את זמן ההחלמה."
עבור השחיינים המיקרו החוקרים השתמשו במבנים א-סימטריים של שלוש חרוזי תחמוצת ברזל זעירים. (אוניברסיטת דרקסל) צוות המחקר היה צריך להתגבר על מספר אתגרים כדי לפתח רובוטים פונקציונליים בקנה מידה מיקרוסקופי כזה. "העולם המיקרוסקופי שונה לחלוטין מהעולם המקרוסקופי שכולנו חיים בו", אומר קים. "אנו משתמשים באינרציה כדי לנוע בעולם המקרוסקופי, אך ברמה המיקרוסקופית אינרציה אינה מועילה לתנועה." כתוצאה מכך, המדענים נאלצו להשתמש במבנים א-סימטריים (או כיראליים) עבור שחייני המיקרו. "אנו יכולים ליצור שחיינים עם חרוזים חד-חרוזים ושני חרוזים, אך כאשר אנו מיישמים את השדה המגנטי הם אינם יכולים לנוע כלל מכיוון שהמבנים שלהם סימטריים. אז כדי ליצור מבנה לא סימטרי היינו צריכים להשתמש לפחות בשלושה חרוזים, "אומר קים.
מכשול נוסף שעמדו בפני החוקרים היה תכונות הנוזלים המורכבות של הדם. שלא כמו מים, מכונה דם כנוזל לא-ניוטוני, כלומר צמיגותו (או עמידותו לזרימה) של הנוזל אינה פרופורציונאלית ישירות למהירות בה הוא זורם. כתוצאה מכך האלגוריתמים לבקרת השחיינים המיקרו אותם פיתחו קים וצוותו התבססו על דינמיקת נוזלים לא לינאריים והיו מורכבים בהרבה. "השליטה הלא ליניארית הזו מקשה הרבה יותר על מניפולציה של רובוטים בקנה המידה של המיקרו, " אומרת קים.
מדעני דרקסל הצטרפו למכון מדע וטכנולוגיה של דייגו גיונגבוק כדי להרחיב את הטכנולוגיה הזו לשימוש יומיומי על ידי צוותי ניתוחים לב וכלי דם. עד כה, שחייני המיקרו נבדקו רק בכלי דם מלאכותיים. מאמץ המחקר הבינלאומי, פרויקט של 18 מיליון דולר במימון המכון להערכת טכנולוגיה תעשייתית בקוריאה, גייס מהנדסים מובילים מ -11 מוסדות אחרים בארצות הברית, קוריאה ושוויץ. הם מקווים לקבל את הטכנולוגיה בניסויים קליניים בבני אדם תוך ארבע שנים.
בנוסף לשימוש בשחיי המיקרו כמתקני אינסטלציה לעורקים, החוקרים בדקו יישומים ביו-רפואיים פוטנציאליים אחרים, כמו טיפולים תרופתיים ממוקדים יותר וטכנולוגיית הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר. "לדוגמה, ניתן להשתמש בחרוזים כדי לחדור ישירות לתאי גידול סרטניים שקשה להגיע אליהם, שם התרופה תשוחרר למטרה, ובכך למקסם את יעילות התרופה, " אומר קים.
התעניינותו של קים בתחום הננו-טכנולוגיה הולידה את הסרט המדע הבדיוני Fantastic Voyage משנת 1966 והסרט המחודש שלו שביים סטיבן שפילברג אינספרס . שני הסרטים הללו כוללים מיניאטור של צוללת בהנעה אנושית שמוזרקת לאחר מכן לגוף האדם למשימה מצילת חיים.
"ראיתי את Innerspace כשהייתי בתיכון בשנת 1987. הסרט מכיל מושגים רבים של מיקרו-רובוטיקה וננו-רפואה ששימשו השראה גם לי וגם לחוקרים אחרים בתחום זה", אומר קים. "אני נרגש להיות חלק מפרויקט שעוסק בהבאת המדע הבדיוני הזה למציאות."
