Mikroläkare invaderar din kropp

De simmar i din urinblåsa, borrar sig igenom din ögonglob och kryper fram i dina tarmar. En armé av mikroskopiska ­robotar är redo att tränga igenom cancertumörer och pulvrisera blodproppar inne i kroppen.

De simmar i din urinblåsa, borrar sig igenom din ögonglob och kryper fram i dina tarmar. En armé av mikroskopiska ­robotar är redo att tränga igenom cancertumörer och pulvrisera blodproppar inne i kroppen.

Liz Do/Uni. of Toronto Engineering

Den endast 0,000001 millimeter stora roboten närmar sig sakta sitt mål: En cancertumör som under de senaste månaderna har växt i patientens tarm.

Vätskorna i tarmen för roboten närmare och närmare tills den kommer fram till tumören. Utanför patientens kropp står ett läkarlag som noga följer robotens rörelser.

I samma stund som den kommer i kontakt med tumören aktiverar de ett starkt UV-ljus, varefter roboten börjar snurra med tre miljoner rotationer per sekund.

Roboten fräser snabbt hål i tumören och lämnar sedan systemet.

Denna mikromotor, som har utvecklats av forskare vid Rice University i USA, är långt ifrån den enda mikroskopiska roboten som på senare tid har konstruerats i ingenjörernas verkstäder.

Robotarna, som alla är högst en centimeter stora, ska användas mot allt från blodproppar till cancer.

Med inspiration från djurens värld är läkarna nu redo att låta dem krypa och kräla i din kropp.

Robotar intar kroppen på tre sätt

De kryper, skruvar sig eller roterar sig fram till målet där de vidtar åtgärder för att bota dig.

Kemister banade väg

Om du har fått ett utslag på kinden säger läkaren inte åt dig att smörja in hela ansiktet med krämen, men när det uppstår problem inne i kroppen är det svårare att åstadkomma en målriktad behandling.

En patient som har fått cancer behandlas till exempel med cytostatika, som angriper alla kroppens celler – både friska och sjuka.

Därför har forskare i många år försökt skapa robotar som kan behandla skavanker som läkarna och kirurgerna inte kommer åt.

Det har dock varit en utmaning för forskarna, eftersom det krävs mycket hög precision för att robotarna inte ska skada andra delar av kroppen.

År 2016 fick Bernard Feringa Nobelpriset i kemi för den molekylära motor som han uppfann 1999. Den utgör grunden för dagens mikrorobotar.

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

Problemet löstes när en nederländsk kemist år 1999 uppfann den molekylära motorn, vilket han fick Nobelpriset för år 2016.

Motorn består av två molekyler som är förbundna med en gemensam axel runt vilken de vrids.

När motorn belyses med UV-ljus tillförs den ena molekylen energi, vilket får den att vrida sig ett halvt varv runt axeln.

Molekylen, som samlar på sig energi från ljuset, kan till slut rotera runt sig själv med en hastighet av tre miljoner rotationer per sekund.

Motorn visade att det går att styra mikroskopiska maskiner genom anpassad energitillförsel. Sedan dess har det gått snabbt.

Framstegen inom både nano- och robotteknik har gjort att forskare i dag har tillgång till en veritabel armé av mikrorobotar.

Medusa doserar medicin

Medusor, det vill säga nässeldjur i stadiet mellan polyp och fullvuxet djur, är väldigt enkelt uppbyggda.

Kroppen består av åtta armar som när de rörs uppåt och nedåt inte bara skapar framdrivning utan även kontrollerar vattenströmmarna under armarna.

Elektroingenjören Metin Sitti vid Max Planck-institutet för intelligenta system i Stuttgart i Tyskland inspirerades av just en medusa när han konstruerade en robot som ska dosera medicin exakt där den behövs.

I stället för att fästa lasten i en krok eller något dylikt vidrör emellertid robotmedusan inte medicinen överhuvudtaget. Lasten hålls på plats med hjälp av enkel hydrodynamik.

När medusan tillförs energi av elektromagneter, som läkarna kontrollerar, slår den med sina vingar. Ju mer energi som tillförs, desto kraftigare blir vingslaget.

Varje slag skapar strömmar under medusan. Det är dessa strömmar som ska användas för att transportera medicinen.

Varje slag skapar nämligen en virvel som håller fast medicinen under medusans kropp.

I framtiden ska en liten robot som inspirerats av verklighetens medusor dosera medicin med hög precision i kroppen. Till skillnad från liknande robotar kommer denna mikroläkare aldrig i kontakt med läkemedlet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Roboten flyter på en luftbubbla

Forskarna tillverkar medusan av en 0,065 millimeter tunn, skivformig magnet som består av de tre grundämnena neodym, järn och bor. När roboten befinner sig i vatten skapas en luftbubbla i dess mitt för att öka medusans flytförmåga.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Roboten simmar mellan elektromagneter

Roboten rör sig med hjälp av magnetism, vilket innebär att patienten omges av runda elektromagneter. Läkarna styr roboten genom att höja och sänka magnetfältets styrka. På så sätt kan de navigera medusan och medicinen ned till urinblåsan genom patientens organ.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Magnetfält styr rörelserna

Magnetfältet varierar i styrka från tio till minus tio millitesla och ­påverkar på så sätt robotens armar. När magnetfältet försvagas slås armarna nedåt i en rörelse som för medusan uppåt i vattnet. Om magnetfältet förstärks slår ­roboten i stället uppåt med armarna.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Virvelströmmar håller fast lasten

Det uppstår virvelströmmar i vattnet när roboten rör på armarna. Genom att styra armarna kan forskarna anpassa virvlarna så att medicinen antingen förs uppåt eller nedåt under roboten. När magnetfältet står still upphör rörelserna och då faller medicinen ner.

Mikroarmé tränger in i ögat

De flesta mikroläkare är gjorda för att färdas i kroppsvätskor eller hålrum, exempelvis i tarmen och urinblåsan, men Peer Fischer vid Max Planck-institutet för intelligenta system har valt en annan väg. Han vill sända sina mikrorobotar rakt in i patienternas ögon.

Ögonmedicin verkar i allmänhet långsamt, och behandlingen är ofokuserad. En behandling mot glaukom påverkar hela ögat men borde egentligen bara sänka trycket i den bakersta delen.

För att lösa det har Fischer skapat en mikrorobot som är 200 gånger tunnare än ett hårstrå. Genom att förånga magnetiska nickelatomer och låta ångorna kondensera på små kulor av kiseldioxid har han skapat en armé av extremt små robotar.

När nickelånga kondenseras bildas små spiraler som sätter sig på kiselkulorna. De små robotarna täcks därefter med ett lager av ett teflonliknande material, så att de blir extremt släta.

Det är dessa små robotar som Fischer vill sända in i patienternas ögon för att dosera medicin.

© Ken ikeda Madsen/Shutterstock

Nanoskruv doserar medicin direkt i ögat

Forskare vid ett Max Planck-institut har utvecklat en nanorobot som tränger in i ögat betydligt snabbare och med högre precision än vanlig medicin. Kiseldioxidkulor innehåller medicin som förs in i ögat med en nickelspiral, som roterar sig in genom ögat med sin last.

Han har redan testat sin metod på grisögon. Då injicerade han en hel armé av 10 000 mikropropellrar i vardera öga och använde magneter för att dirigera armén till näthinnan.

De små robotarna tog sig dit på bara en halvtimme, vilket är tio gånger snabbare än ett läkemedel som droppas i ögat och sedan passivt sipprar genom glaskroppen till näthinnan.

Godkänd robot krossar tumörer

De flesta mikroläkare testas fortfarande bara på död vävnad och kadaver, men vissa har använts framgångsrikt på levande möss.

En robot utvecklad av elektroingenjören Wei Gao vid Caltech, USA, ska tränga in i cancertumörer i kroppen och döda dem.

Roboten består av en mikrokapsel med en diameter på cirka 0,1 millimeter som innehåller ett tiotal nanomotorer täckta med cytostatika.

Gao styr kapseln med ultraljud och när den når fram till målet aktiverar han en infraröd laser som träffar mikrokapseln så att den går sönder och friger nanomotorerna.

Laserljuset aktiverar samtidigt nanomotorerna så att de börjar rotera, vilket håller fast dem vid sin position vid tumören.

Rotationen gör också att cytostatikan löses upp snabbare och kan börja angripa cancercellerna.

Robotarna måste klara allt

Det finns en mängd andra mikrorobotar som forskare runtom i världen arbetar med. Vissa av dem kryper som larver på tarmväggarna, medan andra är hopvikta likt origamifigurer medan de transporterar medicinen.

Generellt har läkarvetenskapen börjat öppna för att mikro- och nanorobotar i framtiden kan bli en viktig behandlingsmetod.

Än så länge är dock robotarna fort­farande begränsade i sina rörelser och uppgifter. De kan antingen krypa, simma eller borra sig genom kroppen.

Därför har forskningen börjat fokusera på robotar som klarar alla typer av terräng.

3 miljoner rotationer per sekund uppnådde den första molekylära motorn.

Bland annat har forskare vid Max Planck-institutet i Stuttgart i Tyskland skapat en mikrorobot, Mikrotumlaren, som kan simma, krypa, klättra, rulla och hoppa i kroppen.

Snart hoppas forskarna kunna använda mikroläkarna utanför laboratoriet, och där har de fortfarande en bit kvar.

När en robot förs in i patienters inre organ måste de vara helt säkra på att den inte orsakar någon skada, och där befinner vi oss ännu inte.

Innan läkarna kan använda mikrorobotar i kroppen återstår många tester.