Mikrolæger invaderer din krop

De svømmer rundt i din blære, borer sig gennem dit øjeæble og kravler i dine tarme. En hær af mikroskopiske robotter står klar til at fræse sig gennem kræftsvulster og pulverisere blodpropper direkte i din krop.

De svømmer rundt i din blære, borer sig gennem dit øjeæble og kravler i dine tarme. En hær af mikroskopiske robotter står klar til at fræse sig gennem kræftsvulster og pulverisere blodpropper direkte i din krop.

Liz Do/Uni. of Toronto Engineering

Den kun 0,000001 mm store robot nærmer sig langsomt målet: en kræftsvulst, der de sidste måneder er vokset i patientens tarm.

Båret frem af tarmens væsker kommer den nærmere og nærmere, indtil den støder mod den ondsindede svulst. Uden for patientens krop står et hold læger og følger robotten nøje.

I det øjeblik, den berør svulsten, tænder de et kraftigt uv-lys, og robotten begynder at rotere med tre millioner omdrejninger i sekundet.

Hurtigt fræser robotten et ødelæggende hul i svulsten og forsvinder derefter ud gennem systemet.

Mikromotoren, der er udviklet af forskere på Rice University i Houston, er langtfra den eneste mikroskopiske robot, der i løbet af de senere år er blevet konstrueret af ingeniørernes værksteder.

Robotterne er alle mindre end én centimeter og skal bruges til at kurere alt fra blodpropper til kræft. Og med inspiration fra dyrenes verden er lægerne nu klar til at lade dem krybe og kravle ind i din krop.

Robotter indtager kroppen på 3 måder

De kravler, skruer eller roterer sig til målet, men alle når frem til målet og helbreder dig.

Kemiker banede vejen

Har du et udslæt på kinden, smører lægen ikke hele dit ansigt ind i cremen. Men når skavankerne sidder inde i kroppen, er det pludselig langt sværere at målrette behandlingen.

Hvis en patient eksempelvis lider af kræft, udsætter lægerne alle kroppens celler for kemoterapien, og behandlingen angriber derved også de raske celler.

Derfor har forskere i årevis forsøgt at skabe robotter, som kan behandle de skavanker, lægerne og kirurgerne ikke kan nå frem til. Men især har udfordret forskerne, for det kræver stor præcision, hvis robotterne ikke skal skade andre dele af kroppen.

Bernard Feringa vandt i 2016 Nobelprisen i kemi for den molekylære motor, han opfandt i 1999, og som har dannet grundlaget for nutidens mikrorobotter.

© Jeroen Van Kooten/University of Groningen/AFP/Ritzau Scanpix

Problemet blev løst, da en hollandsk kemiker i 1999 opfandt den molekylære motor – en opfindelse, han vandt Nobelprisen for i 2016. Motoren består af to molekyler, der er forbundet til hinanden af en fælles akse, som de begge drejer omkring.

Når motoren bliver belyst med uv-lys, får det ene molekyle tilført energi, hvilket får det til at dreje en halv omgang om aksen. Molekylet ophober energien fra lyset, og til sidst kan det rotere om sig selv med 3 mio. omdrejninger i sekundet.

Motoren viste, at det er muligt at styre mikroskopiske maskiner ved at regulere energitilførslen. Siden er det gået stærkt, og fremskridt inden for både nano- og robotteknologi betyder, at forskere i dag har en hel hær af mikrorobotter klar.

Gople leverer medicin

Gopler i stadiet mellem polypper og fuldvoksne er meget simpelt opbygget. Deres kroppe er delt i otte arme, og når de bevæger dem op og ned, kan de ikke alene skabe fremdrift, men også styre strømmene af vand under armene robottens.

For elektroingeniøren Metin Sitti fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, var en gople i netop det stadie inspiration, da han konstruerede en robot, hvis formål er at levere medicin præcis der, hvor behovet er.

Men frem for at sætte lasten fast til en krog eller lignende, så rører robotgoplen ikke ved medicinen. I stedet holdes lasten på plads ved hjælp af simpel hydrodynamik.

Når goplen tilføres energi af elektromagneter, som lægerne styrer, flapper dens vinger. Jo mere energi den tilføres, jo kraftigere et slag udfører den. Hvert slag skaber strømme neden under goplen.

Det er netop disse strømme, som skal bruges til at fragte medicinen, for hvert slag skaber en hvirvelstrøm, som holder medicinen placeret under goplens krop.

Inspireret af virkelighedens gopleunger skal en lille robot i fremtiden levere medicin helt præcist i kroppen. Men modsat lignende robotter, så rører denne mikrolæge aldrig medicinen.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotten flyder på en luftboble

Forskerne fremstiller goplen ud fra en 0,065 mm tynd, skiveformet magnet, som består af de tre grundstoffer neodym, jern og bor. Når robotten er under vand, placeres en luftboble i centrum, der øger opdriften, så goplen svæver i vandsøjlen.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotten svømmer mellem elektromagneter

Robotten bevæger sig ved hjælp af magnetisme, og patienten er derfor omgivet af runde elektromagneter. Lægerne styrer robotten ved at hæve og sænke magnetfeltet, og på den måde kan de navigere goplen gennem patientens organer ned til blæren med medicin.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Magnetfelt styrer bevægelserne

Magnetfeltet svinger i styrke fra eksempelvis 10 mT (millitesla) til -10 mT og påvirker på den måde robottens arme. Når magnetfeltet reduceres, bliver armene fx slået ned i en bevægelse, der sender goplen op gennem vandet, og hæves feltet, slår robotten armene op.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Hvirvelstrømme holder lasten fast

Når robotten bevæger sine arme, dannes der hvirvelstrømme i vandet. Ved at styre armene kan forskerne regulere hvirvelstrømmene, så medicinen enten trækkes op eller ned under robotten. Når magnetfeltet står stille, stopper bevægelserne, og medicinen falder ned.

Mikrohær trænger ind i øjet

De fleste mikrolæger er designet til at færdes i kropsvæsker eller hulrum, som det er eksemplet med tarmen og blæren. Men Peer Fischer fra Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart er gået en anden vej, og vil sende sine mikrorobotter direkte ind i patienternes øjne.

Øjenmedicin er generelt meget langsom til at virke, og behandlingen er ufokuseret – en behandling mod grøn stær rammer hele øjet, men skal reelt kun sænke trykket i den bagerste del.

For at løse dette har Fischer skabt en mikrorobot, som er 200 gange tyndere end et menneskehår. Ved at fordampe magnetiske nikkel-atomer og lade dampene kondensere på små kugler af siliciumdioxid har han skabt en hær af ekstremt små robotter.

Når nikkeldampe kondenserer, danner de små spiraler, der sætter sig på silicakuglerne. De små robotter dækkes med et lag af et teflonlignende materiale, så de bliver ekstremt glatte.

Det er disse små robotter, som Fischer vil sende ind i patienternes øjne for at levere medicin.

© Ken ikeda Madsen/Shutterstock

Nanoskrue leverer medicin direkte i øjet

Forskere ved Max Planck Institute har udviklet en nanorobot, som som kan trænge ind i øjet langt hurtigere og mere præcist end almindelig medicin. Siliciumdioxidkugler indeholder medicin, som føres ind i øjet med en nikkelspiral, der roterer sig gennem øjet med lasten.

Han har allerede afprøvet sin metode på griseøjne, hvor han injicerede en hel hær på 10.000 mikropropeller ind i hvert øje og brugte magneter til at dirigere hæren frem til nethinden.

De små robotter klarede rejsen på blot 30 minutter, hvilket er ti gange hurtigere end et lægemiddel, der bliver dryppet i øjet og selv skal sive passivt gennem glaslegemet til nethinden.

Godkendt robot smadrer svulster

Langt de fleste mikrolæger bliver stadig kun testet på dødt væv og kadavere, men enkelte er med succes blevet afprøvet på levende mus. Robotten er udviklen af elektroingeniøren Wei Gao fra Caltech, og har det formål at trænge ind i kræftsvulster i kroppen og slå dem ihjel.

Robotten består af en mikrokapsel med en diameter på omkring 0,1 mm, der indeholder op mod ti nanomotorer, som er coatede med kemoterapi.

Gao styrer kapslen med ultralyd, og når den kommer frem til målet, tænder han for en infrarød laser, der rammer mikrokapslen, så den går i stykker og frigiver nanomotorerne.

Laserlyset aktiverer samtidig nanomotorerne, så de begynder at rotere, og det fastholder dem på deres position ved svulsten. Samtidig sørger rotationen for, at kemoterapien – som omgiver dem – hurtigere går i opløsning og kan begynde at angribe kræftcellerne.

Robotterne skal kunne det hele

Der findes et væld af andre mikrorobotter, som forskere verden over arbejder på – nogle kravler som larver langs tarmvæggene, mens andre folder sig om sig selv som origamifigurer, mens de transporterer medicinen.

Generelt er lægevidenskaben begyndt at åbne op for, at mikro- og nanorobotter fremover kan blive en vigtig del af behandlinger.

Men som det kan ses, er robotterne stadig begrænset i deres bevægelser og opgaver: De kan enten kravle, svømme eller bore sig gennem kroppen. Derfor er forskningen begyndt at fokusere på robotter, som kan forcere al slags terræn.

3 mio. omdrejninger i sekundet kunne den første molekylære motor opnå.

Blandt andet har forskere ved Max Planck Institute fremlagt en mikrorobot, Mikrotumleren, som både kan svømme, kravle, klatre, rulle og springe gennem kroppens terræn.

Det største skridt er dog at bruge mikrolægerne uden for laboratorierne, og her er der stadig lidt vej igen, for når en robot sendes ind i patienters indre organer, skal der være total sikkerhed for, at den ikke gør skade – og det er der ikke endnu.

Derfor er der mange tests forude, inden lægerne kan sende mikrorobotterne ind i kroppen.