3D-microrobots voor minuscule chirurgie

Een kleine robot die door een eenvoudige medische injectie in het menselijk lichaam wordt gebracht en daar rechtstreeks en doelgericht een niet te opereren tumor bestrijdt. Dit klinkt misschien een beetje als science fiction, maar onderzoekers werken momenteel druk aan het moderniseren van de gezondheidszorg met behulp van bio-engineering. De uitdagingen zitten vooral in het ontwerp, productieproces en de codering van de microrobots die dit moeten gaan realiseren.

Conventionele microfabricagetechnieken kunnen relatief eenvoudige geometrische structuren leveren met een beperkte flexibiliteit en functionaliteit. Dit zijn zogenaamde ‘passieve’ systemen, beperkt tot een bepaalde structuur, zoals buis of bol, welke slechts een beperkte chemische functionaliteit mogelijk maken. Om de flexibiliteit en functionaliteit van microcomponenten te vergroten hebben professor Sitti en zijn collega’s van de Physical Intelligence Department aan de Max-Planck-Institute voor Intelligente Systemen in Stuttgart (D) onlangs een nieuwe tweetrapsbenadering ontwikkeld om de microrobots te kunnen voorzien van de gewenste functies.

3D-laserlithografie

De eerste stap van de tweetrapsbenadering is de creatie van het ontwerp om de microrobot verder uit te breiden. Dit wordt gerealiseerd door de verknoping van lichtgevoelige polymeren. Het is gebaseerd op de 3D-laserlithografietechniek en maakt het mogelijk om chemisch homogene basisstructuren te vervaardigen met een hoge veelzijdigheid. De tweede stap is het koppelen van functionaliteiten aan het geproduceerde 3D-monster op specifieke locaties: de reeds vervaardigde structuur wordt gemodificeerd met chemisch compatibele kleine moleculen die nieuwe chemische groepen op de gewenste delen van het materiaal kunnen plaatsen. Het wordt bereikt door selectieve verlichting in 3D waarbij een niet-gereageerde polymeervoorloper wordt verwijderd en een nieuwe voorloper met de gewenste chemische functionaliteit wordt geplaatst. “De afmeting van microrobots bepaalt sterk welk type gereedschap kan worden gebruikt om ze te kunnen voorzien van bepaalde functionaliteiten. Dat is het meest uitdagend: niet alleen om een handig ontwerp te creëren, maar om een manier te vinden om het te laten werken. Ons onderzoek is de eerste studie die informatie vertaalt van computerontwerp naar een functionele microstructuur”, vertelt Dr. Hakan Ceylan, postdoctoraal onderzoeker bij het Max-Planck-Instituut voor Intelligente Systemen. Om het concept te bewijzen hebben de wetenschappers eerst een kogelvormige microzwemmer voorbereid, waarbij de binnenste holte selectief gemodificeerd werd met katalytische platina nanodeeltjes.

Grote intelligentie in kleine omvang

In de natuur gebruiken organismen zonder hersenen, zoals schimmels, bacteriën en planten, fysieke intelligentie als de belangrijkste weg om beslissingen en aanpassingen te maken aan complexe en evoluerende omstandigheden. In dezelfde geest exploiteren de wetenschappers de fysische en chemische eigenschappen van materialen om actieve werkzaamheden te programmeren. “Onze belangrijkste doelstelling is om nieuwe methoden te ontwikkelen om geminiaturiseerde materialen te maken die intelligent presteren in een complexe en onstabiele omgeving. Een belangrijke vraag hierover is hoe intelligentie wordt bereikt in kleinere afmetingen, waar geen conventionele computermogelijkheden ingezet kunnen worden”, zegt Ceylan. “Ons nieuw ontwikkelde tweetrapsplatform is een belangrijke prestatie in deze richting.”

Minimale schade

Een beweeglijke robot met detectiemogelijkheden in de afmeting van een enkele cel kan een ongekend directe toegang verkrijgen tot diepe en delicate delen in het lichaam, zoals de hersenen, het ruggenmerg en het oog. Daarom zou het goed kunnen worden gebruikt voor medische operaties die momenteel erg moeilijk zijn te verrichten met de huidige methoden. Bovendien zorgen de microrobots voor aanzienlijk minder schade aan omliggend weefsel. Hoewel al deze nieuwe mogelijkheden die een kleine robot gaan brengen nog niet beschikbaar zijn op de markt, zijn de wetenschappers er van overtuigd dan we niet zo lang hoeven te wachten op dag dat microrobots vervelende aandoening in het menselijk lichaam kunnen bestrijden. “In de nabije toekomst – waarschijnlijk in ongeveer 10 jaar – kan dit enorme toepassingen hebben in weefseltechniek, regeneratieve medicijnen en het genezen van genetische aandoeningen”, stelt Ceylan.