外科医は、間もなく小さなロボットの軍隊を配備して、全身にマイクロサージェリーを実施します。 これは空想科学小説のように思えるかもしれませんが、ドレクセル大学の研究チームは、詰まった動脈を掘るという重要な使命のために検討されているマイクロロボット技術を開発しました。
脂肪、コレステロール、カルシウム、その他の物質が動脈の内壁に堆積すると、心房プラークが形成され、体全体に血液が運ばれます。 時間が経つにつれて、これらの動脈は硬化して狭くなります。 アテローム性動脈硬化と呼ばれるこのプロセスは、酸素が豊富な血液が重要な臓器に到達する能力を制限し、心臓発作または脳卒中のリスクを高めます。 アテローム性動脈硬化の原因は不明ですが、習慣（活動レベル、喫煙、食事など）、遺伝的危険因子、および年齢の組み合わせがその発症に寄与しています。 閉塞した動脈に対する2つの従来の外科的アプローチは、血管形成術とバイパス手術です。 血管形成術中、血管外科医は血管内の小さなバルーンを膨らませ、ステントと呼ばれる金属メッシュチューブを挿入して、動脈を開いたままにし、血流を改善します。 対照的に、バイパス手術では、閉塞していない静脈または動脈を使用して狭窄動脈をバイパスすることにより、血流を再ルーティングします。
しかし、ナノメディシンのこの新しいイノベーションは、小さなマイクロビーズの形をとり、身体の血管系の危険な水域を航行できるコルクせん抜きのような構造を形成します。 マイクロスイマーは、200ナノメートルほどの小さな酸化鉄ビーズで構成されており、チェーンで結合されています。 これらのビーズは「免疫反応を引き起こさない無機の生体適合性材料で構成されています」とドレクセル大学工学部の教授であるMinJun Kimは述べています。
血流を介した動きを誘発するために、チェーンは細かく較正された外部磁場にさらされます。 このフィールドの回転により、チェーンは血流を介して自身を推進する回転するらせん構造を形成します。 この磁場の特性は、動脈閉塞の性質に基づいて、マイクロスイマーチェーンの速度、方向、サイズを制御するのにも役立ちます（移動する力に影響します）。
「医療におけるマイクロロボットの使用は、真に新しい分野であり、強力な学際的研究の背景が必要です」と、キムは言います。
マイクロスイマーのユニークなデザインは、 ボレリアブルグドルフェリと呼ばれる微生物そのものの自然に触発されました。 （ドレクセル大学） マイクロスイマーのユニークなデザインは、 ボレリアブルグドルフェリと呼ばれる微生物そのものの自然に触発されました。 ライム病の原因となるこの細菌のらせん構造により、体液に容易に浸透し、広範囲に及ぶ損傷を引き起こすことができます。
動脈プラークを除去するために、科学者はカテーテルを使用してマイクロスイマーを送達し、小さな血管ドリルで閉塞した動脈を除去します。 展開すると、マイクロスイマーは最初の攻撃を開始し、硬化したプラークを緩めます。これは、手術ドリルによって終了します。 手術後、生分解性ビーズは抗凝固薬を血流に放出して、将来のプラークの蓄積を抑えるように設計されています。
「慢性完全閉塞の現在の治療は、成功率が約60％に過ぎません」と、キムはプレスリリースで述べました。 「私たちが開発している方法は、80〜90％の成功を収め、回復時間を短縮できる可能性があると考えています。」
マイクロスイマーについては、研究者は3つの小さな酸化鉄ビーズの非対称構造を使用しました。 （ドレクセル大学） 研究チームは、このような顕微鏡スケールで機能ロボットを開発するために、いくつかの課題を克服する必要がありました。 「ミクロの世界は、私たち全員が住んでいるマクロの世界とはまったく異なります」と、キムは言います。 「私たちは慣性を使って巨視的な世界を動き回っていますが、微視的なレベルでは慣性は動きには役に立たないのです。」その結果、科学者はマイクロスイマーに非対称（またはキラル）構造を使わなければなりませんでした。 「シングルビーズと2ビーズのマイクロスイマーを作成できますが、磁場を適用すると、構造が対称的であるため、まったく移動できません。 そのため、非対称構造を作成するには、少なくとも3つのビーズを使用する必要がありました」とKim氏は述べています。
研究者が直面した別の障害は、血液の複雑な流体特性でした。 水とは異なり、血液は非ニュートン流体と呼ばれます。つまり、血液の粘度（または流動抵抗）は、流れる速度に直接比例しません。 その結果、キムと彼のチームが開発したマイクロ水泳選手を制御するアルゴリズムは、非線形流体力学に基づいており、はるかに精巧でした。 「この非線形制御は、マイクロスケールでロボットを操作することをはるかに困難にします」と、キムは言います。
ドレクセルの科学者は、大eg慶北科学技術院に加わり、心臓血管外科チームが日常的に使用するためにこの技術を拡大しています。 これまで、マイクロスイマーは人工血管でのみテストされてきました。 韓国産業技術評価院が資金提供した1800万ドルのプロジェクトであるこの国際的な研究努力により、米国、韓国、スイスの他の11機関からトップエンジニアが採用されました。 彼らは、4年以内に人間の臨床試験でこの技術を使用することを望んでいます。
動脈の配管装置としてのマイクロスイマーの使用に加えて、研究者は、より標的を絞った薬物療法や高解像度イメージング技術など、他の潜在的な生物医学的用途を調査しています。 「たとえば、ビーズを使用して、到達が困難ながん腫瘍細胞に直接浸透し、そこで薬物を標的に放出することで、薬物の効率を最大化できます」と、Kim氏は述べています。
ナノテクノロジーの分野に対するキムの関心は、1966年のSF映画「 ファンタスティックボヤージュ」とそのスティーブンスピルバーグ監督のリメイク「 インナースペース 」によって引き起こされました。 これらの映画は両方とも、人命を救う任務で人体に注入される、人間が操縦する潜水艦の小型化を伴います。
「1987年に高校時代にインナースペースを見ました。この映画には、自分自身とこの分野の他の研究者の両方にインスピレーションを与えたマイクロロボットとナノ医学の概念が数多く含まれています」とキムは言います。 「このサイエンスフィクションの実現に関与するプロジェクトに参加できることを嬉しく思います。」
