Mikro- eller till och med nanorobotar skulle en dag kunna utföra medicinska uppgifter i människokroppen. Forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har nu tagit ett första steg mot detta mål. De har lyckats konstruera simkroppar som samtidigt uppfyller två krav:de är tillräckligt små för att användas i kroppsvätskor eller till och med enskilda celler, och de kan navigera genom komplexa biologiska vätskor.

I filmen Fantastic Voyage från 1966, en ubåt komplett med besättning har krympt i storlek så att den kan navigera genom människokroppen, gör det möjligt för besättningen att utföra operation i hjärnan. Detta scenario förblir inom science fiction-området, och att transportera ett kirurgiskt team till en sjukdomsplats kommer säkert att förbli fiktion. Ändå, små ubåtar som kan navigera genom kroppen kan vara till stor nytta:de kan leverera droger exakt till en målplats, till exempel en punkt på näthinnan. Och de skulle kunna göra det möjligt att utföra genterapi i en specifik cell.

Om det går enligt Peer Fischer, ledare för Micro, Nano and Molecular Systems Research Group vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, då kommer läkare inom överskådlig framtid att anlita mikro- eller till och med nanorobotar för att utföra sådana uppgifter. De små medhjälparna skulle noggrant komma in på mål i kroppen, eliminerar behovet av mer omfattande operationer, eller genom att göra vissa förfaranden minimalt invasiva.

En mikroskopisk pilgrimsmussla kunde inte simma i vatten

Dock, det finns två grundläggande utmaningar för att förverkliga dessa mål. Självklart, sådana fordon måste vara tillräckligt små för att injiceras i ögongloben, till exempel, med en spruta. För det andra, en gång införd i kroppen, de måste kunna röra sig genom kroppsvätskor och vävnader. På båda fronterna, forskargruppen ledd av Peer Fischer har nu gjort betydande framsteg.

Tillsammans med forskare vid Technion i Israel och det tekniska universitetet i Dortmund, den Stuttgart-baserade gruppen beskriver i en nyligen publicerad artikel ett slags konstgjord kammussla med bara några hundra mikrometer i diameter. De designade den så att enheten färdas i vätskor genom att helt enkelt öppna och stänga dess skal. Detta är inte så självklart som det låter. "Skalet är bara några gånger större än tjockleken på ett människohår, " säger Fischer. "En vätska som vatten är ungefär lika trögflytande för dessa enheter som honung eller till och med tjära är för oss." Och med så mycket friktion i vätskor, symmetriska rörelser, såsom ömsesidig öppning och stängning av ett kammusslingskal, skulle inte resultera i någon framåtdrivning. De fram och tillbaka rörelser som orsakas av de motsatta rörelserna skulle helt enkelt ta bort varandra.

Av denna anledning, mikro-kammusslan skulle faktiskt inte röra sig från platsen. Dock, eftersom forskarna på lång sikt har siktet inställt på att använda enheten i biologiska medier, de testade sin simmare direkt i lämpliga modellvätskor. Dessa har egenskaper som skiljer dem från vatten. "De flesta kroppsvätskor har egenskapen att deras viskositet ändras beroende på rörelsehastigheten, " säger Fischer. "I ledvätska som finns i leder, till exempel, hyaluronsyramolekyler ordnar sig i nätverksliknande strukturer som resulterar i en hög viskositet. Men så fort något rör sig genom denna vätska, det molekylära nätet bryts isär och vätskan blir mindre trögflytande".

Magnetisk kontroll används för att öppna och stänga pilgrimsmusslan

Forskarna utnyttjade just denna flytande egenskap. De styr pilgrimsmusslan så att den öppnar sig mycket snabbare än den stänger. "Detta temporärt asymmetriska rörelsemönster gör att vätskan blir mindre trögflytande under öppning än under det efterföljande stängningsslaget, säger doktoranden Tian Qiu, medlem i teamet i Stuttgart. Så avståndet som pilgrimsmusslan färdas när den öppnas är inte detsamma som avståndet den rör sig bakåt när den stänger, och detta orsakar nettoframdrivning. Detta är första gången en konstgjord enhet av denna storlek någonsin har kunnat röra sig genom vätskor med hjälp av symmetriska rörelsecykler, säger Tian Qiu.

För att kontrollera sina mikrosimmare, forskarna integrerade små sällsynta jordartsmagneter i de två pilgrimsmusslorna. Detta gör det möjligt för dem att kontrollera hur pilgrimsmusslan öppnas och stängs – och i slutändan hur enheten rör sig – genom att applicera ett externt magnetfält. Dock, forskarnas upptäckt att mikroenheter kan simma genom vissa vätskor med symmetriska rörelser gäller inte bara magnetiskt drivna mikrorobotar. Verkligen, en kammusslingsformad miniatyrubåt kan också drivas av ett manöverdon som svarar, till exempel, till temperaturförändringar.

Själva mikrokammusslan var gjord av en relativt hård plast. Utmaningen var att göra skalen extremt tunna, men samtidigt tillräckligt robusta så att de förblir styva i ett trögflytande medium.

Forskarna, som har publicerat sina verk i Naturkommunikation , vill testa sina mikrosimmare i specifika biologiska vätskor. "Vi är intresserade av nästa steg, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.

A nano-screw acts as a propeller

This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Dock, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Nu, för första gången, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Av denna anledning, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, till exempel, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Teoretiskt sett, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

Så, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.