Mikrorobotar har potential att revolutionera medicinen. Forskare vid Max Planck ETH Center for Learning Systems har nu utvecklat en avbildningsteknik som för första gången känner igen cellstora mikrorobotar individuellt och med hög upplösning i en levande organism.

Hur kan en blodpropp tas bort från hjärnan utan några större kirurgiska ingrepp? Hur kan ett läkemedel levereras exakt till ett sjukt organ som är svårt att nå? Det är bara två exempel på de otaliga innovationer som forskarna föreställer sig inom området medicinsk mikrorobotik. Små robotar lovar att fundamentalt förändra framtida medicinska behandlingar:en dag skulle de kunna röra sig genom patientens kärl för att eliminera maligniteter, bekämpa infektioner eller tillhandahålla exakt diagnostisk information helt noninvasivt. I princip, så hävdar forskarna, kan cirkulationssystemet fungera som en idealisk leveransväg för mikrorobotarna, eftersom det når alla organ och vävnader i kroppen.

För att sådana mikrorobotar ska kunna utföra de avsedda medicinska ingreppen säkert och tillförlitligt får de inte vara större än en biologisk cell. Hos människor har en cell en genomsnittlig diameter på 25 mikrometer – en mikrometer är en miljondels meter. De minsta blodkärlen hos människor, kapillärerna, är ännu tunnare:deras genomsnittliga diameter är bara 8 mikrometer. Mikrorobotarna måste vara motsvarande små om de obehindrat ska kunna passera de minsta blodkärlen. Men en så liten storlek gör dem också osynliga för blotta ögat – och vetenskapen har ännu inte hittat en teknisk lösning för att upptäcka och spåra mikronstora robotar individuellt när de cirkulerar i kroppen.

Spårar cirkulerande mikrorobotar för första gången

"Innan detta framtidsscenario blir verklighet och mikrorobotar faktiskt används i människor, är den exakta visualiseringen och spårningen av dessa små maskiner absolut nödvändig", säger Paul Wrede, som är doktorand vid Max Planck ETH Center for Learnings Systems (CLS) .

"Utan bildbehandling är mikrorobotik i huvudsak blind", tillägger Daniel Razansky, professor i biomedicinsk bildbehandling vid ETH Zürich och universitetet i Zürich och medlem av CLS. "I realtid, högupplöst avbildning är därför avgörande för att upptäcka och kontrollera cellstora mikrorobotar i en levande organism." Vidare är avbildning också en förutsättning för att övervaka terapeutiska ingrepp som utförs av robotarna och verifiera att de har utfört sin uppgift som avsett. "Bristen på förmågan att ge feedback i realtid på mikrorobotarna var därför ett stort hinder på vägen till klinisk tillämpning."

Tillsammans med Metin Sitti, en världsledande mikrorobotexpert som också är CLS-medlem som direktör vid Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) och ETH professor i fysisk intelligens, och andra forskare, har teamet nu uppnått en viktig genombrott i att effektivt slå samman mikrorobotik och bildbehandling. I en studie som just publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances , lyckades de för första gången tydligt upptäcka och spåra små robotar så små som fem mikrometer i realtid i hjärnans kärl hos möss med hjälp av en icke-invasiv avbildningsteknik.

Forskarna använde mikrorobotar med storlekar från 5 till 20 mikrometer. De minsta robotarna är ungefär lika stora som röda blodkroppar, som är 7 till 8 mikrometer i diameter. Denna storlek gör det möjligt för de intravenöst injicerade mikrorobotarna att resa även genom de tunnaste mikrokapillärerna i mushjärnan.

Forskarna utvecklade också en dedikerad optoakustisk tomografiteknik för att faktiskt upptäcka de små robotarna en efter en, i hög upplösning och i realtid. Denna unika avbildningsmetod gör det möjligt att upptäcka de små robotarna i djupa och svåråtkomliga delar av kroppen och hjärnan, vilket inte skulle ha varit möjligt med optisk mikroskopi eller någon annan bildteknik. Metoden kallas optoakustisk eftersom ljus först sänds ut och absorberas av respektive vävnad. Absorptionen producerar sedan små ultraljudsvågor som kan detekteras och analyseras för att resultera i högupplösta volymetriska bilder.

Janusvända robotar med guldlager

För att göra mikrorobotarna väl synliga i bilderna behövde forskarna ett lämpligt kontrastmaterial. För sin studie använde de därför sfäriska, kiseldioxidpartikelbaserade mikrorobotar med en så kallad Janus-typ beläggning. Denna typ av robot har en mycket robust design och är mycket väl kvalificerad för komplexa medicinska uppgifter. Den är uppkallad efter den romerske guden Janus, som hade två ansikten. I robotarna är de två halvorna av sfären olika belagda. I den aktuella studien belade forskarna ena hälften av roboten med nickel och den andra hälften med guld.

"Guld är ett mycket bra kontrastmedel för optoakustisk avbildning," förklarar Razansky, "utan det gyllene lagret är signalen som genereras av mikrorobotarna alldeles för svag för att upptäckas." Förutom guld testade forskarna även användningen av små bubblor som kallas nanoliposomer, som innehöll ett fluorescerande grönt färgämne som också fungerade som kontrastmedel. "Liposomer har också fördelen att du kan ladda dem med potenta läkemedel, vilket är viktigt för framtida tillvägagångssätt för riktad läkemedelsleverans", säger Wrede, första författaren till studien. Den potentiella användningen av liposomer kommer att undersökas i en uppföljningsstudie.

Dessutom tillåter guldet också att minimera den cytotoxiska effekten av nickelbeläggningen – trots allt, om mikrorobotar i framtiden ska verka i levande djur eller människor måste de göras biokompatibla och icke-toxiska, vilket är en del av en pågående forskning . I den aktuella studien använde forskarna nickel som ett magnetiskt drivmedium och en enkel permanentmagnet för att dra robotarna. I uppföljningsstudier vill de testa den optoakustiska avbildningen med mer komplexa manipulationer med hjälp av roterande magnetfält.

"Detta skulle ge oss möjligheten att exakt kontrollera och flytta mikrorobotarna även i starkt strömmande blod", säger Metin Sitti. "I den aktuella studien fokuserade vi på att visualisera mikrorobotarna. Projektet var oerhört framgångsrikt tack vare den utmärkta samarbetsmiljön vid CLS som gjorde det möjligt att kombinera expertis från de två forskargrupperna vid MPI-IS i Stuttgart för robotdelen och ETH Zürich för bilddelen", avslutar Sitti. + Utforska vidare

Små biohybridrobotar för intelligent läkemedelstillförsel