В 1966 году на экраны американских кинотеатров вышел фильм «Фантастическое путешествие». В завязке сюжета пожилой ученый из военной лаборатории получает травму, врачи сомневаются в успехе хирургической операции. Спасти ученого берутся другие работники лаборатории. Их технологии якобы позволяют им всего на час уменьшиться до микронных размеров. Батискаф с исследователями вкалывают в артерию пациента. У фильма, разумеется, хеппи-энд: спасатели успевают разрушить тромб и выбраться наружу вовремя.
Сегодняшние ученые наверняка знакомы с сюжетом фильма и, возможно, кому-то он подсказал идею перспективной медицинской технологии внедрения роботов в организм. Микроскопические роботы, существующие пока только в прототипах, разумеется, совсем не похожи на героев американского фильма. Они и на обычных роботов не очень-то похожи, ведь образцами для них стали не люди, а микроорганизмы.
Реактивные сферы. Возможно, самые необычные опытные образцы микророботов создали исследователи из Калифорнийского технологического института. Они несколько лет изучали поведение микроскопических сфер из магния в разных жидкостях. В пищеварительном тракте на поверхности таких сфер появляются крошечные пузырьки водорода. Если сделать сферу многослойной, то она превратится в подобие реактивного двигателя, рассказали в пресс-службе института. Верхний слой микросферы выполнен из устойчивого к желудочным жидкостям полимера, затем следует золотое напыление и магниевое ядро. В слоях есть отверстие, из которого «выстреливают» водородные пузырьки.
Сферы из магния — только транспорт, пояснил один из исследователей Лихун Ван. Лекарственные препараты можно поместить между слоями, а несколько тысяч таких микросфер запечатать в растворимую капсулу. А чтобы следить за движением роботов и давать им указания, ученые задействовали инфракрасные лазеры и технологию оптоакустической томографии. Инфракрасное излучение заставляет молекулы и отдельные клетки вибрировать, этот звук улавливают звуковые датчики, а компьютер строит изображение органов. Микросферы на таких томографах тоже видны.
Схема внедрения роботов выглядит так: пациент принимает капсулу со сферами, врачи с помощью томографа следят за ее движением. Как только капсула оказывается в нужном месте, ее расплавляют инфракрасным излучением, микросферы начинают роиться и достигают поверхности желудка или кишечника. Ученые сравнивают это со стрельбой дробью. Конечно, не все микросферы достигают цели, но в основном им удается закрепиться на слизистой оболочке и доставить лекарство.
Японское бумагоплетение. Создатели роботов еще в прошлом веке обратили внимание на оригами — искусство складывания фигурок из бумаги без помощи ножниц. Сначала это казалось развлечением, а затем выяснилось, что миниатюрных роботов удобнее всего конструировать именно таким способом. Если у вас есть полимерный лист толщиной в несколько микронов, то техника оригами позволяет сложить из него трехмерную фигуру. Это могут быть птицы, подобие рыб или абстрактные фигуры с микрозахватами и конечностями. Тем не менее статичные фигуры роботами не назовешь. Как заставить их двигаться? Сейчас ученые пытаются управлять такими устройствами с помощью магнитного поля. В Швейцарской высшей технической школе Цюриха предложили вкраплять в конечности роботов наномагниты, обладающие способностью менять полярность.
Микроробот из швейцарской лаборатории напоминает бумажного голубя. В его крылья из листа нитрида кремния наноразмерной толщины встроены массивы микроскопических магнитов. В случае, если управляемое учеными внешнее магнитное поле меняется, «голубь» машет крыльями. Особенность устройства в том, что исследователи могут дистанционно менять свойства магнитных вкраплений, и «голубь» может зависать, двигаться вбок и совершать пируэты. Одно движение длится несколько миллисекунд, а перепрограммировать устройство, научить его новым движениям можно за наносекунды, пояснила один из авторов изобретения Лаура Хедерман (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха). И если таким роботом будет дистанционно управлять компьютерная программа, он сможет перемещаться внутри организма, брать образцы тканей или, как калифорнийские роботы-микросферы, адресно доставлять лекарства. В том же швейцарском вузе исследователи пробуют придать характеристики микроорганизмов роботам из синтетических материалов. Многие бактерии могут изменять форму и свою пластичность в зависимости от того, где именно они находятся. Это помогает им двигаться быстрее. Ученые сделали образцы подвижных микророботов из геля, который изменяет свои свойства в жидкостях разной плотности. Такой микроробот будет сам понимать, находится он, например, в вене или в артерии. «Наши роботы имеют особую структуру, она позволяет им адаптироваться к свойствам жидкости», — рассказали в пресс-службе цюрихского вуза. В итоге исследователи хотят создать роботов, способных проникать в любые ткани организма, не повреждая их.
Полезные бактерии. Что, если микроорганизмы сами смогут доставлять лекарственные препараты в нужные точки внутри организма? А точнее, как речные катера толкать микроскопические «баржи» с лекарствами? Бактерии пластичны и подвижны, многие из них изучены досконально. Ученые пытаются преодолеть основные препятствия. Во-первых, иммунная система не очень-то любит микроорганизмы. А во-вторых, «баржи» с лекарством тоже должны быть микроскопическими, и их нужно «прикрепить» к бактериям. Ученым из Германии и Турции удалось создать тандем из бактерии и микроскопической органической капсулы. «Катером» выступила модификация кишечной палочки, а «баржой» — оболочка, выработанная из эритроцита. Оболочка за счет химических связей прочно прикрепляется к бактерии. А сама бактерия за счет модификации не вызывает агрессивного ответа иммунной системы. Лабораторные испытания показали, что бактерия успешно транспортирует оболочку в жидкостях, поясняется в публикации в научном издании APL Bioengineering. Управлять такой бактерией можно с помощью магнитного поля, лазеров или ультразвука, считают исследователи. Хотя безотказно работающих микророботов пока не существует. Ученые только прощупывают новые возможности. И для воплощения идей потребуются очередные открытия, а затем клинические тесты и реакция практикующих медиков.