Mikroleger invaderer din kropp

De svømmer rundt i blæren, borer seg gjennom øyeeplet og kravler i tarmene. En hær av mikroskopiske roboter står klare til å frese seg gjennom kreftsvulster og pulverisere blodpropper i årene.

De svømmer rundt i blæren, borer seg gjennom øyeeplet og kravler i tarmene. En hær av mikroskopiske roboter står klare til å frese seg gjennom kreftsvulster og pulverisere blodpropper i årene.

Liz Do/Uni. of Toronto Engineering

Den bare 0,000001 millimeter lange roboten nærmer seg langsomt målet: en kreftsvulst som de siste månedene har vokst i pasientens tarm.

Båret fram av tarmens væsker kommer den nærmere og nærmere, helt til den støter mot den ondsinnede svulsten. Utenfor pasientens kropp står et team av leger og følger roboten nøye.

I det øyeblikket den berører svulsten, skrur de på et kraftig UV-lys, og roboten begynner å rotere med tre millioner omdreininger i sekundet.

Roboten freser et ødeleggende hull i svulsten og forsvinner deretter ut av kroppen.

Mikromotoren som er utviklet av forskere ved Rice University i Houston, er på ingen måte ikke den eneste mikroskopiske roboten som i løpet av de siste årene har blitt konstruert i ingeniørenes verksteder.

Alle robotene er mindre enn én centimeter og skal brukes til å kurere alt fra blodpropp til kreft.

Og med inspirasjon fra dyrenes verden er legene nå klare til å la dem krype og kravle inn i kroppen din.

Roboter inntar kroppen på 3 måter

De kravler, skrur eller roterer seg til målet, men alle når fram og helbreder deg.

Kjemiker banet veien

Har du et utslett på kinnet, smører ikke legen inn hele ansiktet ditt med kremen. Men når skavankene sitter inne i kroppen, er det plutselig mye vanskeligere å målrette behandlingen.

Hvis en pasient for eksempel lider av kreft, utsetter legene cellene i kroppen for cellegiften, og behandlingen angriper dermed også de friske cellene.

Derfor har forskere gjennom en årrekke forsøkt å skape roboter som kan behandle de skavankene legene og kirurgene ikke kan nå fram til.

Men dette har vært en stor utfordring for forskerne, for det krever stor presisjon hvis robotene ikke skal skade andre deler av kroppen.

Bernard Feringa fikk i 2016 nobelprisen i kjemi for den molekylære motoren han fant opp i 1999, og som har dannet grunnlaget for moderne mikroroboter.

© Jeroen Van Kooten/University of Groningen/AFP/Ritzau Scanpix

Problemet ble løst da en nederlandsk kjemiker i 1999 fant opp den molekylære motoren – en oppfinnelse han fikk nobelprisen for i 2016.

Motoren består av to molekyler som er forbundet til hverandre av en felles akse som begge beveger seg rundt.

Når motoren blir belyst med UV-lys, blir det ene molekylet tilført energi, noe som får det til å svinge en halv omgang om aksen.

Molekylet mottar stadig mer energi fra lyset, og til slutt kan det rotere med 3 millioner omdreininger i sekundet.

Motoren viste at det er mulig å styre mikroskopiske maskiner ved å regulere energitilførselen.

Senere har det gått raskt, og framskritt innen både nano- og robotteknologi innebærer at forskere i dag har en hel hær av mikroroboter til rådighet.

Manet leverer medisiner

Maneter i stadiet mellom polypper og fullvoksne er veldig enkle. Kroppene er delt i åtte armer, og når de beveger dem opp og ned, kan de ikke bare skape framdrift, men også styre strømmene av vann under armene.

For elektroingeniøren Metin Sitti fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart i Tyskland var en manet i nettopp det stadiet inspirasjon da han konstruerte en robot som skulle levere medisiner akkurat der det er behov for den.

Men i stedet for å feste lasten til en krok eller lignende, berører ikke robotmaneten medisinene. I stedet holdes lasten på plass ved hjelp av enkel hydrodynamikk.

Når maneten tilføres energi av elektromagneter, som legene styrer, flakser den med vingene. Jo mer energi den tilføres, jo kraftigere er slagene.

Hvert slag skaper strømmer ned under maneten. Det er nettopp disse strømmene som skal brukes til å frakte medisiner, for hvert slag skaper en virvelstrøm som holder medisiner plassert under manetens kropp.

Inspirert av virkelighetens maneter skal en liten robot i framtiden levere medisiner helt presist i kroppen. Men i motsetning til lignende roboter rører ikke denne mikrolegen medisinene selv.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Roboten flyter på en luftboble

Forskerne produserer maneten ut fra en 0,065 mm tynn skiveformet magnet som består av de tre grunnstoffene neodym, jern og bor. Når roboten er under vann, plasseres en luftboble i sentrum. Det øker oppdriften, slik at maneten svever i vannet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Roboten svømmer mellom elektromagneter

Roboten beveger seg ved hjelp av magnetisme, og pasienten er derfor omgitt av runde elektromagneter. Legene styrer roboten ved å heve og senke magnetfeltet, og på den måten kan de navigere maneten gjennom pasientens organer ned til blæren med medisiner.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Magnetfelt styrer bevegelsene

Magnetfeltet varierer i styrke fra for eksempel 10 MT (millitesla) til -10 MT og påvirker på den måten robotens armer. Når magnetfeltet reduseres, blir armene for eksempel slått ned i en bevegelse som sender maneten opp gjennom vannet, og heves feltet, slår roboten opp armene.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Virvelstrømmer holder fast lasten

Når roboten beveger armene sine, dannes det virvelstrømmer i vannet. Ved å styre armene kan forskerne regulere virvelstrømmene, slik at medisiner enten trekkes opp eller ned under roboten. Når magnetfeltet står stille, stopper bevegelsene, og medisiner faller ned.

Mikrohær trenger inn i øyet

De fleste mikrolegene er designet for å ferdes i kroppsvæsker eller hulrom, som for eksempelet i tarmen og blæren.

Men Peer Fischer fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har gått en annen vei. Han vil sende mikrorobotene rett inn i pasientenes øyne.

Øyemedisin bruker ofte veldig lang tid på å virke, og behandlingen er ufokusert – en behandling mot grønn stær rammer hele øyet, men man må i praksis bare senke trykket i den bakerste delen.

For å løse dette problemet har Fischer skapt en mikrorobot som er 200 ganger tynnere enn et menneskehår.

Ved å fordampe magnetiske nikkelatomer og la dampen kondensere på små kuler av silisiumdioksid har han skapt en hær av ekstremt små roboter.

Når nikkeldampen kondenserer, dannes de små spiralene som setter seg på kulene. De små robotene dekkes med et lag av et teflonlignende materiale, slik at de blir ekstremt glatte.

Det er disse små robotene Fischer vil sende inn i pasientenes øyne for å levere medisiner.

© Ken ikeda Madsen/Shutterstock

Nanoskrue leverer medisiner rett i øyet

Forskere ved Max Planck-instituttet har utviklet en nanorobot som kan trenge inn i øyet mye raskere og mer presist enn vanlige medisiner. Silisiumdioksidkuler inneholder medisin som føres inn i øyet med en nikkelspiral som roterer seg gjennom øyet med lasten.

Han har allerede testet metoden på griseøyne. En hel hær på 10 000 mikropropeller ble injisert i hvert øye, før forskeren brukte magneter til å dirigere hæren fram til netthinnen.

De små robotene klarte reisen på bare 30 minutter, noe som er hele ti ganger raskere enn et tradisjonelt legemiddel som blir dryppet i øyet og må sive passivt ned gjennom glasslegemet til netthinnen.

Godkjent robot ødelegger svulster

De aller fleste mikrolegene blir fortsatt bare testet på dødt vev og kadavre, men enkelte har blitt testet på levende mus.

Roboten er utviklet av elektroingeniøren Wei Gao fra Caltech, og formålet er å trenge inn i kreftsvulster i kroppen og ta livet av dem.

Roboten består av en mikrokapsel med en diameter på omkring 0,1 mm som inneholder opp mot ti nanomotorer som er dekket med cellegift.

Gao styrer kapselen med ultralyd, og når den kommer fram til målet, skrur han på en infrarød laser som rammer mikrokapselen, slik at den går i stykker og frigir nanomotorene.

Laserlyset aktiverer samtidig nanomotorene slik at de begynner å rotere, og det holder dem i samme posisjon – ved svulsten.

Samtidig sørger rotasjonen for at cellegiften som omgir dem, raskere går i oppløsning og kan begynne å angripe kreftcellene.

Robotene må kunne alt

Det finnes et vell av andre mikroroboter som forskere verden over arbeider med – noen kravler som larver langs tarmveggene, mens andre folder seg om seg selv som origamifigurer mens de transporterer medisiner.

Generelt har legevitenskapen begynt å åpne opp for at mikro- og nanoroboter kan bli en viktig del av behandlinger.

Men som vi kan se, er robotene fortsatt begrenset i både bevegelser og oppgaver: De kan enten kravle, svømme eller bore seg gjennom kroppen. Derfor har forskningen begynt å fokusere på roboter som kan forsere all slags terreng.

3 millioner omdreininger i sekundet leverte den molekylære motoren.

Blant annet har forskere ved Max Planck Institute presentert en mikrorobot, Mikrotumleren, som både kan svømme, kravle, klatre, rulle og hoppe gjennom det krevende terrenget i kroppen.

Det største skrittet er imidlertid å bruke mikrolegene utenfor laboratoriene, og her er det fortsatt et stykke på vei for en robot sendes inn i pasienters indre organer.

Legene må være helt sikre for at den ikke gjør skade – og det er de fortsatt ikke. Derfor er det mange tester som må gjennomføres før legene kan sende mikrorobotene inn i kroppen.