Microrobots hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de geneeskunde. Onderzoekers van het Max Planck ETH Center for Learning Systems hebben nu een beeldvormingstechniek ontwikkeld die voor het eerst microrobots ter grootte van een cel afzonderlijk en met een hoge resolutie in een levend organisme herkent.

Hoe kan een bloedstolsel uit de hersenen worden verwijderd zonder een ingrijpende chirurgische ingreep? Hoe kan een medicijn precies in een ziek orgaan worden afgeleverd dat moeilijk te bereiken is? Dat zijn slechts twee voorbeelden van de talloze innovaties die de onderzoekers voor ogen hebben op het gebied van medische microrobotica. Kleine robots beloven toekomstige medische behandelingen fundamenteel te veranderen:op een dag zouden ze door het vaatstelsel van de patiënt kunnen gaan om maligniteiten te elimineren, infecties te bestrijden of volledig niet-invasieve nauwkeurige diagnostische informatie te verstrekken. In principe, zo stellen de onderzoekers, zou de bloedsomloop kunnen dienen als een ideale leveringsroute voor de microrobots, omdat het alle organen en weefsels in het lichaam bereikt.

Om ervoor te zorgen dat dergelijke microrobots de beoogde medische ingrepen veilig en betrouwbaar kunnen uitvoeren, mogen ze niet groter zijn dan een biologische cel. Bij mensen heeft een cel een gemiddelde diameter van 25 micrometer - een micrometer is een miljoenste van een meter. De kleinste bloedvaten bij de mens, de haarvaten, zijn nog dunner:hun gemiddelde diameter is slechts 8 micrometer. De microrobots moeten dienovereenkomstig klein zijn om ongehinderd door de kleinste bloedvaten te kunnen gaan. Door zo'n klein formaat zijn ze echter ook onzichtbaar voor het blote oog - en ook de wetenschap heeft nog geen technische oplossing gevonden om de robots van micronformaat afzonderlijk te detecteren en te volgen terwijl ze in het lichaam circuleren.

Voor het eerst circulerende microrobots volgen

"Voordat dit toekomstscenario werkelijkheid wordt en microrobots daadwerkelijk bij mensen worden gebruikt, is de precieze visualisatie en tracking van deze kleine machines absoluut noodzakelijk", zegt Paul Wrede, een doctoraalstudent aan het Max Planck ETH Center for Learnings Systems (CLS) .

"Zonder beeldvorming is microrobotica in wezen blind", voegt Daniel Razansky toe, hoogleraar biomedische beeldvorming aan de ETH Zürich en de Universiteit van Zürich en lid van de CLS. "Realtime beeldvorming met hoge resolutie is dus essentieel voor het detecteren en besturen van microrobots op celformaat in een levend organisme." Verder is beeldvorming ook een voorwaarde voor het monitoren van therapeutische interventies die door de robots worden uitgevoerd en om te verifiëren dat ze hun taak hebben uitgevoerd zoals bedoeld. "Het gebrek aan mogelijkheid om realtime feedback te geven op de microrobots was daarom een ​​groot obstakel op weg naar klinische toepassing."

Samen met Metin Sitti, een toonaangevende microrobotica-expert die ook CLS-lid is als directeur van het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) en ETH-hoogleraar fysieke intelligentie, en andere onderzoekers, heeft het team nu een belangrijke doorbraak in het efficiënt samenvoegen van microrobotica en beeldvorming. In een onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances , slaagden ze er voor het eerst in om kleine robots zo klein als vijf micrometer in realtime duidelijk te detecteren en te volgen in de hersenvaten van muizen met behulp van een niet-invasieve beeldvormingstechniek.

De onderzoekers gebruikten microrobots met afmetingen van 5 tot 20 micrometer. De kleinste robots zijn ongeveer zo groot als rode bloedcellen, die 7 tot 8 micrometer in diameter zijn. Door deze grootte kunnen de intraveneus geïnjecteerde microrobots zelfs door de dunste microcapillairen in het muizenbrein reizen.

De onderzoekers ontwikkelden ook een speciale opto-akoestische tomografietechnologie om de kleine robots één voor één te detecteren, in hoge resolutie en in realtime. Deze unieke beeldvormingsmethode maakt het mogelijk om de kleine robots in diepe en moeilijk bereikbare delen van het lichaam en de hersenen te detecteren, wat niet mogelijk zou zijn geweest met optische microscopie of een andere beeldvormingstechniek. De methode wordt opto-akoestisch genoemd omdat licht eerst wordt uitgestraald en geabsorbeerd door het betreffende weefsel. De absorptie produceert vervolgens kleine ultrasone golven die kunnen worden gedetecteerd en geanalyseerd om te resulteren in volumetrische beelden met een hoge resolutie.

Janus-faced robots met goudlaag

Om de microrobots goed zichtbaar te maken in de beelden, hadden de onderzoekers geschikt contrastmateriaal nodig. Voor hun onderzoek gebruikten ze daarom bolvormige microrobots op basis van silicadeeltjes met een zogenaamde Janus-type coating. Dit type robot heeft een zeer robuust ontwerp en is zeer goed gekwalificeerd voor complexe medische taken. Het is vernoemd naar de Romeinse god Janus, die twee gezichten had. In de robots zijn de twee helften van de bol verschillend gecoat. In het huidige onderzoek bedekten de onderzoekers de ene helft van de robot met nikkel en de andere helft met goud.

"Goud is een zeer goed contrastmiddel voor opto-akoestische beeldvorming", legt Razansky uit, "zonder de gouden laag is het signaal dat door de microrobots wordt gegenereerd gewoon te zwak om te worden gedetecteerd." Naast goud testten de onderzoekers ook het gebruik van kleine bubbels, nanoliposomen genaamd, die een fluorescerende groene kleurstof bevatten die ook als contrastmiddel diende. "Liposomen hebben ook het voordeel dat je ze kunt laden met krachtige medicijnen, wat belangrijk is voor toekomstige benaderingen van gerichte medicijnafgifte", zegt Wrede, de eerste auteur van het onderzoek. De mogelijke toepassingen van liposomen zullen in een vervolgstudie worden onderzocht.

Bovendien maakt het goud het ook mogelijk om het cytotoxische effect van de nikkelcoating te minimaliseren - als microrobots in de toekomst in levende dieren of mensen moeten werken, moeten ze immers biocompatibel en niet-toxisch worden gemaakt, wat deel uitmaakt van een lopend onderzoek . In de huidige studie gebruikten de onderzoekers nikkel als een magnetisch aandrijfmedium en een eenvoudige permanente magneet om de robots te trekken. In vervolgonderzoek willen ze de opto-akoestische beeldvorming testen met complexere manipulaties met roterende magnetische velden.

"Dit zou ons de mogelijkheid geven om de microrobots nauwkeurig te besturen en te verplaatsen, zelfs in sterk stromend bloed", zegt Metin Sitti. "In de huidige studie hebben we ons gericht op het visualiseren van de microrobots. Het project was enorm succesvol dankzij de uitstekende samenwerkingsomgeving bij de CLS die het mogelijk maakte de expertise van de twee onderzoeksgroepen van MPI-IS in Stuttgart te combineren voor het robotgedeelte en ETH Zürich voor het imaging-gedeelte", besluit Sitti. + Verder verkennen

Kleine biohybride robots voor intelligente medicijnafgifte