Naukowcy z Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze opracowali miniaturowego robota chirurgicznego o długości zaledwie 4,4 milimetra, który może błyskawicznie przełączać się między pięcioma funkcjami medycznymi. Urządzenie sterowane jest bezprzewodowo za pomocą pól magnetycznych i zostało zaprojektowane z myślą o wykonywaniu skomplikowanych procedur w trudno dostępnych przestrzeniach ludzkiego organizmu.
Badacze podkreślają, że ta nowa technologia medyczna może otworzyć drogę do bardziej precyzyjnych i mniej inwazyjnych zabiegów chirurgicznych, a także wspierać rozwój nowoczesnych terapii przeciwnowotworowych. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Advanced Materials”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa magnetyczny minirobot opracowany przez naukowców z NTU w Singapurze
- Dlaczego urządzenie może wykonywać pięć różnych funkcji chirurgicznych w czasie krótszym niż sekunda
- Jakie zastosowania robot może znaleźć w minimalnie inwazyjnej medycynie i onkologii
- Dlaczego technologia magnetycznego sterowania może zmienić przyszłość mikrochirurgii
Miniaturowy robot chirurgiczny sterowany magnetycznie
Robot opracowany przez zespół NTU ma rozmiar porównywalny do nasionka i został wykonany z miękkich materiałów silikonowych, takich jak PDMS i Ecoflex. W jego strukturze umieszczono mikroskopijne cząsteczki magnetyczne reagujące na zewnętrzne pola magnetyczne.
Dzięki temu urządzenie może być sterowane całkowicie bezprzewodowo. Co istotne, naukowcy wykorzystali słabe pola magnetyczne, co może zwiększać bezpieczeństwo przyszłych zastosowań klinicznych. Największą innowacją jest możliwość dynamicznego przełączania funkcji robota. System może zmieniać aktywne narzędzie w czasie krótszym niż sekunda, bez konieczności wymiany urządzenia lub stosowania dodatkowych mechanizmów chirurgicznych.
Jeden robot wykonuje pięć różnych zadań
W przeciwieństwie do większości miniaturowych robotów medycznych, które realizują jedną lub dwie funkcje, nowa konstrukcja NTU umożliwia wykonywanie pięciu różnych działań medycznych. Robot potrafi:
- ciąć tkanki biologiczne,
- uwalniać substancje przypominające leki,
- pobierać próbki tkanek,
- przechowywać pobrane próbki,
- generować zlokalizowane ciepło.
To połączenie wielu funkcji w jednym urządzeniu może znacząco uprościć przyszłe procedury minimalnie inwazyjne i ograniczyć konieczność stosowania kilku różnych narzędzi podczas zabiegu.
Większość robotów magnetycznych tego typu może wykonywać tylko jedną lub dwie funkcje. Nasz najnowszy wynalazek może teraz wykonywać ich pięć, a naszym długoterminowym celem jest umożliwienie lekarzom stosowania tych minirobotów w ciele, nawigowania nimi do docelowej lokalizacji i wykonywania zabiegów – powiedział adiunkt Lum Guo Zhan, który kierował badaniami.
Jak działa system przełączania funkcji?
Kluczowym elementem konstrukcji jest specjalny moduł magnetyczny, który może być wielokrotnie magnesowany, rozmagnesowywany i ponownie magnesowany w różnych kierunkach. Każda orientacja magnetyczna aktywuje inną funkcję robota.
Badacze zaprojektowali także poszczególne obszary urządzenia w taki sposób, aby niezależnie reagowały na sygnały magnetyczne. Dzięki temu cały robot nie zachowuje się jak pojedynczy magnes, co było jednym z głównych ograniczeń wcześniejszych systemów mikrorobotycznych. Takie rozwiązanie pozwala na znacznie bardziej precyzyjne sterowanie ruchem oraz funkcjami urządzenia w ograniczonej przestrzeni biologicznej.
Szósty stopień swobody zwiększa precyzję ruchu
Zespół NTU wprowadził również dodatkowy stopień ruchu określany jako „toczenie”. Robot może obracać się wokół własnej osi, co daje mu sześć stopni swobody ruchu. W praktyce oznacza to większą kontrolę podczas poruszania się w nieregularnych i ciasnych przestrzeniach, takich jak:
- naczynia krwionośne,
- przewody wewnętrzne,
- tkanki miękkie,
- trudno dostępne obszary chirurgiczne.
Eksperci podkreślają, że właśnie tego typu mobilność może być kluczowa dla rozwoju przyszłych procedur endoskopowych i mikrochirurgicznych.
Testy na tkankach biologicznych i potencjał dla onkologii
Możliwości robota zostały przetestowane na wątróbce z kurczaka oraz modelach żelatynowych imitujących miękkie tkanki biologiczne. Urządzenie skutecznie:
- przecinało tkanki,
- uwalniało cząsteczki reprezentujące leki,
- pobierało próbki,
- magazynowało materiał biologiczny,
- generowało miejscowe ciepło poprzez indukcję magnetyczną.
Według naukowców funkcja generowania ciepła może mieć szczególne znaczenie dla rozwoju hipertermii magnetycznej – eksperymentalnej metody wspomagającej leczenie nowotworów poprzez miejscowe podgrzewanie komórek rakowych.
Niska toksyczność materiałów i dalsze badania
Badacze przeprowadzili również ocenę bezpieczeństwa biologicznego materiałów wykorzystanych do budowy robota. W testach laboratoryjnych ponad 99% ludzkich komórek skóry pozostało żywych po kontakcie z materiałami urządzenia. To sugeruje niski poziom toksyczności, choć autorzy badań podkreślają, że technologia nadal wymaga dalszych testów przed potencjalnym zastosowaniem u ludzi. Obecnie zespół pracuje nad integracją systemu z:
- obrazowaniem medycznym,
- czujnikami,
- modelami sztucznych narządów,
- systemami monitorowania zabiegów.
Naukowcy współpracują również z chirurgami, aby ocenić, w jaki sposób podobne rozwiązania mogłyby zostać wdrożone do przyszłych procedur klinicznych.
Aby roboty mogły wejść w fazę praktycznego użytku, musimy zrozumieć nie tylko, jak działają w laboratorium, ale także w jaki sposób można nimi sterować, monitorować je i kontrolować w realistycznych warunkach medycznych – powiedział Lum.
Mikrorobotyka może zmienić przyszłość chirurgii
Rozwój miniaturowych robotów medycznych jest jednym z najbardziej dynamicznych kierunków współczesnej inżynierii biomedycznej. Eksperci wskazują, że tego typu urządzenia mogą w przyszłości umożliwić wykonywanie niezwykle precyzyjnych zabiegów bez konieczności rozległych operacji chirurgicznych. Technologie wykorzystujące sterowanie magnetyczne są szczególnie obiecujące, ponieważ pozwalają eliminować przewody, silniki i klasyczne mechanizmy mechaniczne, które trudno miniaturyzować.
W połączeniu z postępem w zakresie sztucznej inteligencji, obrazowania medycznego i materiałów biozgodnych mikroroboty mogą stać się jednym z fundamentów chirurgii przyszłości.
Główne wnioski
- Naukowcy z NTU opracowali magnetycznego robota chirurgicznego o długości 4,4 mm.
- Urządzenie może przełączać się między pięcioma funkcjami medycznymi w mniej niż sekundę.
- Robot potrafi ciąć tkanki, podawać substancje, pobierać próbki i generować ciepło.
- Technologia może znaleźć zastosowanie w minimalnie inwazyjnej chirurgii i leczeniu nowotworów.
Źródło:
- https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202523056
- https://www.ntu.edu.sg/news/detail/a–5-in-1–seed-sized-surgical-robot
