Ahli bedah akan segera mengerahkan pasukan robot kecil untuk melakukan operasi mikro di seluruh tubuh. Meskipun ini mungkin tampak seperti fiksi ilmiah , tim peneliti dari Universitas Drexel telah mengembangkan teknologi mikro-robot yang sedang dipertimbangkan untuk misi penting — menggali melalui arteri yang tersumbat.
Plak atrium terbentuk ketika lemak, kolesterol, kalsium, dan zat lain disimpan di dinding bagian dalam arteri, yang membawa darah ke seluruh tubuh. Seiring waktu, arteri ini mengeras dan sempit. Proses yang disebut atherosclerosis ini membatasi kemampuan darah kaya oksigen untuk mencapai organ vital dan meningkatkan risiko serangan jantung atau stroke. Meskipun penyebab aterosklerosis tidak diketahui, kombinasi kebiasaan (seperti tingkat aktivitas, merokok dan diet), faktor risiko genetik dan usia berkontribusi terhadap perkembangannya. Dua pendekatan bedah konvensional untuk arteri yang tersumbat adalah operasi angioplasti dan bypass. Selama angioplasti, seorang ahli bedah vaskular mengembang balon kecil di dalam pembuluh darah dan memasukkan tabung logam yang disebut stent untuk menjaga arteri terbuka dan meningkatkan aliran darah. Sebaliknya, operasi bypass melibatkan pengalihan rute aliran darah dengan menggunakan vena atau arteri yang tidak diblokir untuk memotong arteri yang menyempit.
Inovasi baru dalam nanomedicine ini, bagaimanapun, mengambil bentuk microbeads kecil yang bergabung bersama untuk membentuk struktur seperti pembuka botol yang mampu menavigasi perairan berbahaya dari sistem pembuluh darah tubuh. Perenang mikro terdiri dari manik-manik oksida besi kecil sekecil 200 nanometer, bergabung bersama dalam sebuah rantai. Manik-manik ini "terdiri dari bahan anorganik, biokompatibel yang tidak akan memicu respons imunologis, " kata MinJun Kim, seorang profesor di Sekolah Tinggi Teknik Universitas Drexel.
Untuk mendorong pergerakan melalui aliran darah, rantai terpapar ke medan magnet eksternal yang dikalibrasi dengan baik. Rotasi bidang ini menyebabkan rantai membentuk struktur heliks berputar yang mendorong dirinya sendiri melalui aliran darah. Sifat-sifat medan magnet ini juga membantu mengontrol kecepatan, arah, dan ukuran rantai perenang mikro (memengaruhi gaya pergerakannya) berdasarkan sifat oklusi arteri.
"Penggunaan mikro-robot dalam kedokteran benar-benar bidang baru, yang membutuhkan latar belakang penelitian multidisiplin yang kuat, " kata Kim.
Desain unik untuk perenang mikro terinspirasi oleh alam sendiri — mikroorganisme yang disebut Borrelia burgdorferi . (Universitas Drexel) Desain unik untuk perenang mikro terinspirasi oleh alam sendiri — mikroorganisme yang disebut Borrelia burgdorferi . Struktur spiral bakteri ini, yang bertanggung jawab untuk menyebabkan penyakit Lyme, memungkinkannya untuk dengan mudah menyusup ke cairan tubuh dan menyebabkan kerusakan luas.
Untuk menghilangkan plak arteri, para ilmuwan akan menggunakan kateter untuk mengirim perenang mikro dan bor pembuluh darah kecil untuk membersihkan arteri yang tersumbat. Setelah penyebaran, perenang mikro akan meluncurkan serangan awal melonggarkan plak yang mengeras, yang pada gilirannya akan dihabisi oleh bor bedah. Setelah operasi, manik-manik yang dapat terbiodegradasi dirancang untuk melepaskan obat antikoagulan ke dalam aliran darah untuk membantu menghalangi penumpukan plak di masa depan.
"Perawatan saat ini untuk oklusi total kronis hanya sekitar 60 persen berhasil, " kata Kim dalam siaran pers . "Kami percaya bahwa metode yang kami kembangkan dapat mencapai sukses 80 hingga 90 persen dan mungkin mempersingkat waktu pemulihan."
Untuk perenang mikro, para peneliti menggunakan struktur asimetris dari tiga manik-manik oksida besi kecil. (Universitas Drexel) Tim peneliti harus mengatasi beberapa tantangan untuk mengembangkan robot fungsional pada skala mikroskopis. "Dunia mikroskopis benar-benar berbeda dari dunia makroskopis yang kita semua tinggali, " kata Kim. “Kami menggunakan inersia untuk bergerak di dunia makroskopis, tetapi pada level mikroskopis inersia tidak berguna untuk pergerakan.” Akibatnya, para ilmuwan harus menggunakan struktur asimetris (atau kiral) untuk perenang mikro. “Kita dapat membuat perenang mikro manik tunggal dan dua manik, tetapi ketika kita menerapkan medan magnet mereka tidak dapat bergerak sama sekali karena strukturnya simetris. Jadi untuk membuat struktur non-simetris kami perlu menggunakan setidaknya tiga manik-manik, ”kata Kim.
Kendala lain yang dihadapi para peneliti adalah sifat cairan darah yang kompleks. Tidak seperti air, darah disebut sebagai cairan non-Newtonian, yang berarti viskositasnya (atau ketahanan terhadap aliran) dari fluida tidak berbanding lurus dengan kecepatan mengalirnya. Sebagai hasilnya, algoritma untuk kontrol mikro-perenang yang dikembangkan Kim dan timnya didasarkan pada dinamika fluida non-linier dan jauh lebih rumit. "Kontrol non-linear ini membuat jauh lebih sulit untuk memanipulasi robot di skala mikro, " kata Kim.
Para ilmuwan Drexel telah bergabung dengan Institut Sains dan Teknologi Daegu Gyeongbuk untuk memperluas teknologi ini untuk penggunaan sehari-hari oleh tim bedah kardiovaskular. Sejauh ini, mikro-perenang hanya diuji di pembuluh darah buatan. Upaya penelitian internasional, proyek senilai $ 18 juta yang didanai oleh Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, telah merekrut insinyur top dari 11 lembaga lain di Amerika Serikat, Korea dan Swiss. Mereka berharap memiliki teknologi dalam uji klinis manusia dalam waktu empat tahun.
Selain penggunaan mikro-perenang sebagai perangkat pipa untuk arteri, para peneliti telah menyelidiki aplikasi biomedis potensial lainnya, seperti terapi obat yang lebih bertarget dan teknologi pencitraan resolusi lebih tinggi. "Misalnya, manik-manik dapat digunakan untuk menembus langsung ke sel-sel tumor kanker yang sulit dijangkau di mana obat akan dilepaskan ke target, sehingga memaksimalkan efisiensi obat, " kata Kim.
Ketertarikan Kim pada bidang nanoteknologi dipicu oleh film fiksi ilmiah tahun 1966 Fantastic Voyage dan remake Innerspace yang diarahkan Steven Spielberg. Kedua film ini melibatkan miniaturisasi kapal selam yang dikemudikan manusia yang kemudian disuntikkan ke tubuh manusia dalam misi penyelamatan nyawa.
"Saya menonton Innerspace ketika saya masih di sekolah menengah pada tahun 1987. Film ini berisi banyak konsep mikro-robotika dan pengobatan nano yang telah menjadi inspirasi bagi saya dan peneliti lain di bidang ini, " kata Kim. "Saya senang menjadi bagian dari proyek yang terlibat dalam mewujudkan fiksi ilmiah ini menjadi kenyataan."
