در آینده، وظیفه رساندن داروهای درمانی دقیقاً به محل مورد نیاز در بدن ممکن است به عهده ربات‌های مینیاتوری باشد. این ربات‌ها نه شبیه انسان‌های فلزی کوچک خواهند بود و نه حتی شبیه ربات‌های زیست‌محور، بلکه به شکل حباب‌های بسیار ریز طراحی شده‌اند.
این ربات‌ها باید نیازهای پیچیده‌ای را برآورده کنند. به‌عنوان مثال، باید در مایعات بدن مانند اسیدهای معده زنده بمانند، به‌طور دقیق قابل کنترل باشند و بتوانند داروی خود را فقط در محل هدف آزاد کنند و پس از انجام مأموریت، بدون آسیب‌رساندن به بدن جذب شوند.
اکنون، یک تیم به رهبری کلتک (مؤسسه فناوری کالیفرنیا) موفق به توسعه میکروربات‌هایی شده‌اند که تمامی این الزامات را برآورده می‌کنند. این تیم توانسته است با استفاده از این ربات‌ها، داروهایی را به تومورهای مثانه در موش‌ها برساند که منجر به کاهش اندازه تومورها شده است. جزئیات این پژوهش در مجله Science Robotics منتشر شده است.
وی گائو، استاد مهندسی پزشکی در کلتک و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: “ما یک پلتفرم واحد طراحی کرده‌ایم که می‌تواند تمام این چالش‌ها را حل کند.”
طراحی و ساخت میکروربات‌ها
این میکروربات‌ها که به نام ربات‌های آکوستیک زیست‌قابل جذب (BAM) شناخته می‌شوند، از ماده‌ای به نام هیدروژل پلی‌اتیلن گلیکول دی‌اکریلات ساخته شده‌اند. هیدروژل‌ها موادی هستند که از مایع به جامد تبدیل می‌شوند و ساختاری را تشکیل می‌دهند که می‌تواند مقدار زیادی مایع را در خود نگه دارد و زیست‌سازگار است.
برای تولید ساختار میکروربات‌ها، از تکنیک لیتوگرافی پلیمریزاسیون دو فوتونی (TPP) استفاده شده است. این تکنیک با استفاده از پالس‌های سریع لیزر مادون قرمز، امکان ایجاد ساختارهای پیچیده و دقیق را لایه به لایه، شبیه به چاپگرهای سه‌بعدی اما با دقت بیشتر، فراهم می‌کند.
نوآوری در طراحی
ربات‌های ساخته‌شده دارای قطر حدود ۳۰ میکرون (تقریباً برابر قطر یک تار موی انسان) هستند. این میکروربات‌ها شامل نانوذرات مغناطیسی و داروی درمانی در ساختار بیرونی خود هستند. نانوذرات مغناطیسی امکان هدایت ربات‌ها به مکان‌های هدف با استفاده از میدان مغناطیسی را فراهم می‌کنند.
برای جلوگیری از تجمع ربات‌ها در مسیر حرکت، سطح بیرونی آن‌ها آبدوست طراحی شده است. اما برای حفظ یک حباب هوا درون ربات (که برای حرکت و ردیابی ضروری است)، داخل آن آبدوست نیست. محققان از یک فرآیند شیمیایی دو مرحله‌ای استفاده کردند تا سطح داخلی ربات را آبدوست و سطح خارجی را آبگریز کنند.
حرکت و کنترل ربات‌ها
وجود حباب هوا در داخل این ربات‌ها برای حرکت و ردیابی آن‌ها در زمان واقعی ضروری است. با اعمال میدان اولتراسوند، حباب‌ها شروع به ارتعاش می‌کنند و باعث جریان یافتن مایعات از طریق دهانه‌های ربات می‌شوند که آن‌ها را به جلو می‌راند. طراحی دو دهانه‌ای به ربات‌ها امکان حرکت سریع‌تر و مانور بهتر در مایعات بدن مانند ادرار و سرم را می‌دهد.
علاوه بر این، حباب هوا به‌عنوان یک عامل کنتراست تصویربرداری اولتراسوند عمل می‌کند و ردیابی ربات‌ها را در داخل بدن آسان‌تر می‌سازد.
آزمایش روی موش‌ها
در مرحله نهایی توسعه، این ربات‌ها به‌عنوان ابزاری برای تحویل دارو در موش‌های مبتلا به تومورهای مثانه آزمایش شدند. نتایج نشان داد که چهار بار تحویل دارو توسط این ربات‌ها در طول ۲۱ روز، در کاهش اندازه تومورها مؤثرتر از روش‌های معمول تحویل دارو بود.
گائو می‌گوید: “ما فکر می‌کنیم این یک پلتفرم بسیار امیدوارکننده برای تحویل دارو و جراحی دقیق است. در آینده، می‌توانیم این ربات را برای تحویل انواع مختلف بارهای درمانی یا عوامل درمانی برای شرایط گوناگون آزمایش کنیم و در بلندمدت امیدواریم این فناوری را روی انسان‌ها نیز آزمایش کنیم.”
این پژوهش توسط مؤسسه علوم نانو کاولی در کلتک، بنیاد ملی علوم آمریکا، مؤسسه تحقیقات پزشکی هریتیج، وزارت آموزش سنگاپور، مؤسسه ملی بهداشت آمریکا، دفتر تحقیقات ارتش آمریکا و چندین مؤسسه دیگر تأمین مالی شده است.
این پروژه شامل همکاری با دانشمندان برجسته‌ای از جمله میکائیل شاپیرو، دی وو و کیفا ژو برای بهبود فناوری و توسعه کاربردهای ربات‌ها بوده است.
:References
Han, H., Ma, X., Deng, W., Zhang, J., Tang, S., Pak, O. S., Zhu, L., Criado-Hidalgo, E., Gong, C., Karshalev, E., Yoo, J., You, M., Liu, A., Wang, C., Shen, H. K., Patel, P. N., Hays, C. L., Gunnarson, P. J., Li, L., … Gao, W. (2024). Imaging-guided bioresorbable acoustic hydrogel microrobots. Science Robotics, 9(97). https://doi.org/10.1126/scirobotics.adp3593
