Zwermen microscopische, magnetisch, robotparels zouden kunnen schrobben naast 's werelds beste vaatchirurgen - allemaal gericht op geblokkeerde slagaders. Deze microrobots, die eruitzien en bewegen als kurkentrekkervormige bacteriën, worden ontwikkeld door mechanische ingenieurs aan de Drexel University als onderdeel van een chirurgische toolkit die wordt samengesteld door het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) in Zuid-Korea.

MinJun Kim, doctoraat, een professor in het College of Engineering en directeur van de Biologische Actuation, Sensing &Transport Laboratory (BASTLab) in Drexel, voegt het uitgebreide werk van zijn team op het gebied van bio-geïnspireerde microrobotica toe aan een internationaal onderzoeksinitiatief van $ 18 miljoen van het Korea Evaluation Institute of Industrial Technologies (KEIT) dat is gericht op het creëren van een minimaal invasieve, microrobot-geassisteerde procedure voor het omgaan met geblokkeerde slagaders binnen vijf jaar.

DGIST, een door de overheid gefinancierde onderzoeksentiteit in Daegu, Zuid-Korea, is de leider van het partnerschap met 11 instellingen, waaronder enkele van de beste ingenieurs en robotici ter wereld. Het Drexel-team, de enige vertegenwoordigers van de Verenigde Staten, is al goed op weg om robotachtige "microswimmer" -technologie aan te passen voor het opruimen van slagaders.

"Microrobotica is nog een vrij ontluikend vakgebied, en nog in de kinderschoenen als het gaat om medische toepassingen, ' zei Kim. 'Een project als dit, omdat het wordt ondersteund door toonaangevende instellingen en zo'n uitdagend doel heeft, is een kans om zowel medicijnen als microrobotica naar een nieuwe en opwindende plek te duwen."

Kim's microzwemmers zijn kettingen van drie of meer ijzeroxide kralen, stevig met elkaar verbonden via chemische bindingen en magnetische kracht. Deze kettingen zijn klein genoeg - in de orde van nanometers - dat ze als een kleine boot in de bloedbaan kunnen navigeren. De kralen worden in beweging gebracht door een extern magnetisch veld dat ervoor zorgt dat ze allemaal roteren. Omdat ze met elkaar verbonden zijn, hun individuele rotaties zorgen ervoor dat de ketting draait als een kurkentrekker en deze beweging stuwt de microzwemmer voort.

Door het magnetische veld te beheersen, Kim kan de snelheid en richting van de microzwemmers sturen. Het magnetisme maakt het de onderzoekers ook mogelijk om afzonderlijke strengen microzwemmers samen te voegen om langere snaren te maken, die dan met grotere kracht kan worden voortgestuwd.

Dit onderzoek, die onlangs werd gemeld in de Tijdschrift voor onderzoek naar nanodeeltjes , is een van de redenen waarom Kim's lab werd gekozen voor het ambitieuze project.

"Onze magnetisch aangedreven microswimmer-technologie is de perfecte pasvorm voor dit project, " zei Kim. "De microzwemmers zijn samengesteld uit anorganische biologisch afbreekbare kralen, zodat ze geen immuunrespons in het lichaam veroorzaken. En we kunnen hun grootte en oppervlakte-eigenschappen aanpassen om nauwkeurig om te gaan met elk type arteriële occlusie."

Kim's inspiratie voor het gebruik van de robotzwemmers als kleine oefeningen kwam eigenlijk van een kwaadaardige bacterie die schade aanricht in het lichaam door precies dat te doen - door gezond weefsel te graven. Borrelia burgdorferi, de bacterie die de ziekte van Lyme veroorzaakt, wordt geclassificeerd door zijn spiraalvorm, die zowel de beweging als de resulterende cellulaire vernietiging mogelijk maakt.

DGIST-onderzoekers zijn van plan dit gedrag in de microzwemmers te benutten om de weg te banen voor een vasculaire sonde door de arteriële plaque die de blokkade veroorzaakt los te maken.

De sonde, die eruitziet als een kleine boor, wordt ontworpen door Bradley Nelson van ETH Zürich, een pionier op het gebied van microrobotchirurgie. Het plan van het team is om een ​​katheter te gebruiken om de microzwemmers en de boor rechtstreeks naar de geblokkeerde slagader te brengen. Vanaf daar, de zwemmers zouden zich een weg banen in de blokkade, dan zou de boor het volledig wissen.

Zodra de stroming in de slagader is hersteld, de microzwemmerkettingen kunnen zich verspreiden en worden gebruikt om anticoagulantia rechtstreeks in het getroffen gebied af te geven om toekomstige verstopping te voorkomen.

Deze procedure zou de twee meest gebruikelijke methoden voor de behandeling van geblokkeerde slagaders kunnen vervangen:stenting en angioplastiek. Stenting is een manier om een ​​bypass te creëren zodat bloed rond het blok kan stromen door een reeks buizen in de slagader te steken, terwijl angioplastiek de blokkade opheft door de slagader uit te zetten met behulp van een opblaasbare sonde.

"De huidige behandelingen voor chronische totale occlusie zijn slechts ongeveer 60 procent succesvol, " zei Kim. "Wij geloven dat de methode die we ontwikkelen tot 80-90 procent succesvol kan zijn en mogelijk de hersteltijd kan verkorten."