Het richten van een medische behandeling op een ziek lichaamsdeel is een praktijk die zo oud is als de geneeskunde zelf. Een pleister wordt op een gevilde knie geplaatst. Druppels gaan in jeukende ogen. Een gebroken arm gaat in het gips.

Maar vaak zit wat ons scheelt in het lichaam en is niet zo gemakkelijk te bereiken. In dergelijke gevallen, een behandeling zoals een operatie of chemotherapie kan nodig zijn. Een paar onderzoekers van de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech werken aan een geheel nieuwe vorm van behandeling:microrobots die medicijnen op specifieke plekken in het lichaam kunnen afleveren terwijl ze van buiten het lichaam worden gecontroleerd en bestuurd.

"Het microrobotconcept is echt cool omdat je micromachines precies daar kunt krijgen waar je ze nodig hebt, " zegt Lihong Wang, Caltech's Bren hoogleraar medische technologie en elektrotechniek. "Het kan een medicijnafgifte zijn, of een vooraf ontworpen microchirurgie."

De microrobots zijn een gezamenlijk onderzoeksproject van Wang en Wei Gao, assistent-professor medische technologie, en zijn bedoeld voor de behandeling van tumoren in het spijsverteringskanaal.

De microrobots bestaan ​​uit microscopisch kleine bolletjes magnesiummetaal bedekt met dunne laagjes goud en paryleen, een polymeer dat weerstand biedt tegen vertering. De lagen laten een cirkelvormig deel van de bol onbedekt, een soort patrijspoort. Het onbedekte deel van het magnesium reageert met de vloeistoffen in het spijsverteringskanaal, het genereren van kleine bubbels. De stroom bellen werkt als een straal en stuwt de bol naar voren totdat deze botst met nabijgelegen weefsel.

Zelfstandig, magnesium sferische microrobots die kunnen inzoomen kunnen interessant zijn, maar ze zijn niet bijzonder nuttig. Om ze van een noviteit om te zetten in een voertuig voor het afleveren van medicatie, Wang en Gao hebben er enkele wijzigingen aan aangebracht.

Eerst, een laag medicatie is ingeklemd tussen een individuele microsfeer en zijn paryleenlaag. Vervolgens, om de microrobots te beschermen tegen de ruwe omgeving van de maag, ze zijn gehuld in microcapsules gemaakt van paraffinewas.

In dit stadium, de bollen zijn in staat om drugs te dragen, maar missen nog steeds het cruciale vermogen om ze op een gewenste locatie af te leveren. Daarom, Wang en Gao gebruiken fotoakoestische computertomografie (PACT), een door Wang ontwikkelde techniek die gebruik maakt van pulsen van infrarood laserlicht.

Het infrarood laserlicht diffundeert door weefsels en wordt geabsorbeerd door zuurstofdragende hemoglobinemoleculen in rode bloedcellen, waardoor de moleculen ultrasoon gaan trillen. Die ultrasone trillingen worden opgevangen door sensoren die tegen de huid worden gedrukt. De gegevens van die sensoren worden gebruikt om beelden te maken van de interne structuren van het lichaam.

Eerder, Wang heeft aangetoond dat variaties van PACT kunnen worden gebruikt om borsttumoren te identificeren, of zelfs individuele kankercellen. Wat de microrobots betreft, de techniek heeft twee banen. De eerste is beeldvorming. Door PACT te gebruiken, de onderzoekers kunnen tumoren in het spijsverteringskanaal vinden en ook de locatie van de microrobots volgen, die sterk naar voren komen in de PACT-beelden. Zodra de microrobots in de buurt van de tumor komen, een krachtige continue golf nabij-infrarood laserstraal wordt gebruikt om ze te activeren. Omdat de microrobots het infrarood licht zo sterk absorberen, ze warmen even op, het smelten van de wascapsule die hen omringt, en ze bloot te stellen aan spijsverteringsvloeistoffen. Op dat punt, de bubbelstralen van de microrobots worden geactiveerd, en de microrobots beginnen te zwermen. De jets zijn niet bestuurbaar, dus de techniek is een soort shotgun-aanpak - de microrobots zullen niet allemaal het doelgebied raken, maar velen zullen. Wanneer ze dat doen, ze plakken aan het oppervlak en beginnen hun medicatielading vrij te geven.

"Deze micromotoren kunnen het slijm van het spijsverteringskanaal binnendringen en daar lang blijven. Dit verbetert de afgifte van medicijnen, " zegt Gao. "Maar omdat ze van magnesium zijn gemaakt, ze zijn biocompatibel en biologisch afbreekbaar."

Testen in diermodellen tonen aan dat de microrobots presteren zoals bedoeld, maar Gao en Wang zeggen dat ze van plan zijn om door te gaan met het onderzoek.

"We hebben het concept gedemonstreerd dat je het zieke gebied kunt bereiken en de microrobots kunt activeren, " zegt Gao. "De volgende stap is het evalueren van het therapeutische effect ervan."

Gao zegt ook dat hij variaties wil ontwikkelen van de microrobots die in andere delen van het lichaam kunnen werken, en met verschillende soorten aandrijfsystemen.

Wang zegt dat het zijn doel is om de interactie van zijn PACT-systeem met de microrobots te verbeteren. Het infrarood laserlicht dat het gebruikt, heeft enige moeite om diepere delen van het lichaam te bereiken, maar hij zegt dat het mogelijk moet zijn om een ​​systeem te ontwikkelen dat verder kan doordringen.