Они примерно с полмиллиметра, обладают звездчатой гидрогелевой оболочкой и открываются при облучении лазерным светом в ближнем инфракрасном диапазоне. Новые микророботы, разработанные в лаборатории профессора Брэда Нельсона в ETH смогут потенциально точно доставлять лекарства в организм.

В закрытом состоянии роботы напоминают стручки растений. Когда открываются, напоминают звезду. Благодаря своей форме новые микророботы могут использоваться в медицине. Стефано Фуско, докторант Института робототехники и интеллектуальных систем (ИРИС) подсмотрел идею у природы, пока разрабатывал механизм, открывающий и закрывающий робота. Механизм напоминает тот, благодаря которому мухоловка Венеры ловит свою добычу.

Небольшие роботы не жесткие, но мягкие: они сделаны из двух слоев гидрогеля, класса материала, состоящего на 90 % из воды и на 10 % из полимеров. Лучи звезды загибаются внутрь, формируя капсулу, которая содержит крошечные магнитные шарики, покрытые дружелюбным к клеткам анальгината. Гидрогелевые слои пропитаны лекарственными средствами и могут служить в качестве платформы для доставки лекарств. В то же время они защищают магнитные шарики, которые несут капсулу в пункт назначения.

Точная доставка лекарств

Гидрогелевый робот испытывался только в лабораторных условиях. Электромагнитная система манипуляции позволила исследователям точно доставить капсулу в нужное место. По прибытию она облучается лазерным светом в ближнем инфракрасном диапазоне (с длиной волны в 785 нм), что заставляет гидрогель изменять форму. Капсула открывается за секунды и высвобождает крошечные шарики. Используя этот метод, ученые могут доставить лекарственное средство в точное место внутри тела и высвободить лекарственное средство там, где это необходимо. Изменение формы микроробота обратимо, а чувствительность к ближнему инфракрасному излучению стала доступна благодаря использованию оксида графена, который Фуско смешал с гидрогелем.

«С самого начала наша цель была в разработке особого средства, поэтому мы выбрали мягкие материалы для робота, — рассказал Фуско.

Докторанту не пришлось переживать по поводу системы навигации — другие исследователи ИРИС работали над ней около десяти лет. Их система может направлять и двигать крошечные магнитные объекты, у которых нет собственного механизма передвижения или блока питания. Хитроумная система стала известна в связи с микророботом, используемым для минимально инвазивной хирургии глаза.

Улучшение рабочей глубины

Несмотря на все это, у гидрогелевых роботов есть свои ограничения. Фуско выяснил, что ближнее инфракрасное излучение, которое он использует, может погружаться только на 15 мм – 15 см в тело, в зависимости от ткани. Для работы с внутренними органами этого недостаточно. Поэтому исследователям пришлось разработать другой механизм, который позволяет открыть капсулу в ткани без помощи лазера. Ученым ETH удалось заставить робота изменить форму под воздействием магнитного импульса, тем самым увеличив рабочую глубину погружения робота.

«Большой плюс гидрогеля в том, что его можно снабдить дополнительными химическими добавками, а значит капсула будет отвечать на разные стимулы».

Тем не менее гидрогелевая капсула испытывалась только в биологических жидкостях и воде, но не в ткани животных или людей. Исследователи будут думать над применением ее в живых организмах только когда смогут сделать капсулу еще меньше. Текущий размер в полмиллиметра не дает микророботу проникать в капилляры, например. Фуско полагает, что нужно уменьшить его еще в десять раз. Другая цель — сделать капсулу и ее составляющие биоразлагаемыми. Оболочка и шарики должны уметь рассасываться, чтобы их не приходилось удалять из тела после использования. Фуско считает, что понадобится еще три-пять лет исследований, чтобы достичь цели. Второе поколение микророботов будет проходить испытание на животных.