Drexels mikrosimmarrobotar (nederst) är modellerade, i form och rörelse, efter de spiralformade bakterierna, Borrelia burgdorferi (överst), som orsakar borrelia.
Svärmar av mikroskopiska, magnetisk, robotpärlor kan skrubba in bredvid världens främsta kärlkirurger – alla tar sikte på blockerade artärer. Dessa mikrorobotar, som ser ut och rör sig som korkskruvsformade bakterier, utvecklas av mekaniska ingenjörer vid Drexel University som en del av en kirurgisk verktygslåda som monteras av Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) i Sydkorea.
MinJun Kim, PhD, en professor i College of Engineering och chef för den biologiska aktiveringen, Sensing &Transport Laboratory (BASTLab) på Drexel, lägger sitt teams omfattande arbete inom bioinspirerad mikrorobotik till ett internationellt forskningsinitiativ på 18 miljoner dollar från Korea Evaluation Institute of Industrial Technologies (KEIT) som syftar till att skapa en minimalt invasiv, mikrorobotassisterad procedur för att hantera blockerade artärer inom fem år.
DGIST, en statligt finansierad forskningsenhet i Daegu, Sydkorea, är ledare för partnerskapet med elva institutioner, som inkluderar några av världens främsta ingenjörer och robotiker. Drexels team, de ensamma representanterna från USA, är redan på god väg att skräddarsy robottekniken "microswimmer" för att rensa artärer.
"Mikrorobotik är fortfarande ett ganska begynnande studieområde, och mycket i sin linda när det gäller medicinska tillämpningar, " sa Kim. "Ett projekt som detta, eftersom det stöds av ledande institutioner och har ett så utmanande mål, är en möjlighet att driva både medicin och mikrorobotik till en ny och spännande plats."
Kims mikrosimmare är kedjor av tre eller fler järnoxidpärlor, styvt sammanlänkade via kemiska bindningar och magnetisk kraft. Dessa kedjor är tillräckligt små - i storleksordningen nanometer - för att de kan navigera i blodomloppet som en liten båt. Pärlorna sätts i rörelse av ett externt magnetfält som får var och en av dem att rotera. Eftersom de är sammanlänkade, deras individuella rotationer får kedjan att vrida sig som en korkskruv och denna rörelse driver mikrosimmaren.
Genom att kontrollera magnetfältet, Kim kan styra hastigheten och riktningen för mikrosimmarna. Magnetismen innebär också att forskarna kan sammanfoga separata strängar av mikrosimmare för att göra längre strängar, som sedan kan drivas fram med större kraft.
Denna forskning, som nyligen rapporterades i Journal of Nanopartikelforskning , är en av anledningarna till att Kims labb valdes för det ambitiösa projektet.
"Vår magnetiskt aktiverade mikrosimmarteknologi är den perfekta passformen för detta projekt, "Sade Kim. "Mikrosimmare är sammansatta av oorganiska biologiskt nedbrytbara pärlor så att de inte kommer att utlösa ett immunsvar i kroppen. Och vi kan justera deras storlek och ytegenskaper för att korrekt hantera alla typer av arteriell ocklusion."
Kims inspiration för att använda robotsimmare som små övningar kom faktiskt från en illvillig bakterie som orsakar förödelse inuti kroppen genom att göra just det - gräva igenom frisk vävnad. Borrelia burgdorferi, bakterierna som orsakar borrelia, klassificeras efter sin spiralform, som möjliggör både dess rörelse och den resulterande cellulära förstörelsen.
DGIST-forskare planerar att utnyttja detta beteende hos mikrosimmare för att leda vägen för en vaskulär sond genom att lossa den arteriella plack som orsakar blockeringen.
Med hjälp av magnetiska fält (visuell representation till höger) som genereras av en elektromagnetisk enhet (vänster) kan Drexels ingenjörer kontrollera rörelsen hos sina mikrosimmarrobotar.
Sonden, som ser ut som en liten borr, designas av Bradley Nelson från ETH Zürich, en pionjär inom området mikrorobotkirurgi. Teamets plan är att använda en kateter för att leverera mikrosimmare och borren direkt till den blockerade artären. Därifrån, simmarna skulle tränga sig in i blockeringen, då skulle borren rensa det helt.
När flödet är återställt i artären, mikrosimmarkedjorna kan spridas och användas för att leverera antikoagulerande medicin direkt till det drabbade området för att förhindra framtida blockering.
Denna procedur kan ersätta de två vanligaste metoderna för att behandla blockerade artärer:stenting och angioplastik. Stentning är ett sätt att skapa en bypass för blodet att flöda runt blocket genom att föra in en serie rör i artären, medan angioplastik trycker ut blockeringen genom att expandera artären med hjälp av en uppblåsbar sond.
"Nuvarande behandlingar för kronisk total ocklusion är bara cirka 60 procent framgångsrika, " sa Kim. "Vi tror att metoden vi utvecklar kan vara så hög som 80-90 procent framgångsrik och eventuellt förkorta återhämtningstiden."
