Robots voor gerichte medicijnafgifte

Onderzoekers aan Stanford University ontwikkelden multifunctionele millirobots om gezondheidsresultaten te maximaliseren en de invasiviteit van procedures te minimaliseren.

Veel medicijnen zijn niet ontwikkeld om precieze pijnpunten te behandelen. Bij veel gangbare kwalen is dat niet zo'n probleem. Biomedische wetenschappers onderzoeken nu manieren om gerichte medicijnafgifte te verbeteren bij de behandeling van gecompliceerde medische aandoeningen, zoals hart- en vaatziekten of kanker.

Millirobots

Een veelbelovende innovatie binnen dit ontluikende gebied van de biogeneeskunde is de millirobot. Deze robots ter grootte van een vingertop kunnen de toekomstige redders van de geneeskunde worden. Ze kunnen kruipen, draaien en zwemmen om nauwe ruimtes binnen te gaan tijdens hun missie om de innerlijke werking te onderzoeken of medicijnen af te geven.

Onderzoekers aan de Stanford University werken aan veel millirobot-ontwerpen tegelijk. Een daarvan is een kruipende robot die wordt voortbewogen door magneetvelden. Deze maken een continue beweging mogelijk en kunnen worden toegepast om koppel te genereren en de manier waarop de robots bewegen te veranderen. De robots kunnen zelf verschillende voortbewegingstoestanden selecteren en obstakels in het lichaam overwinnen. Door de sterkte en oriëntatie van het magnetische veld te veranderen, kunnen onderzoekers de robot over het lichaam laten bewegen met afstanden in een enkele sprong die tien keer zo lang is als de robot.

De magnetische activering biedt ongebonden controle voor niet-invasieve operaties en scheidt de controle-eenheid van het apparaat om miniaturisatie mogelijk te maken. De nieuwe 'spinning-enabled' draadloze amfibische origami millirobot is zo multifunctioneel als de naam al aangeeft. Door het ontworpen kan een enkele eenheid snel over gladde, oneffen oppervlakken van een orgaan reizen en door lichaamsvloeistoffen zwemmen. In tegenstelling tot pillen of injecties houdt de robot de medicijnen tegen totdat hij zijn doelwit heeft bereikt en geeft dan een geconcentreerde hoeveelheid medicijn af.

De toediening van medicijnen hervormen

Vernieuwend aan deze amfibische robot is, dat hij verder gaat dan de ontwerpen van de meeste op origami gebaseerde robots. Deze gebruiken alleen de opvouwbaarheid van origami gebruiken om te bepalen hoe een robot verandert en beweegt.

Behalve naar het vouwen waarmee de robot bepaalde acties kan uit voeren hebben de onderzoekers ook bekeken hoe de afmetingen van elke vouw de starre beweging van de robot beïnvloedden wanneer deze niet is opgevouwen. Door dergelijke overwegingen konden ze meer gebruik maken van de materialen zonder bulk toe te voegen. In deze omgeving geldt: hoe meer functionaliteit met een enkele structuur binnen het ontwerp van de robot, des te minder ingrijpend de medische procedure is.

Een ander aspect van het ontwerp van de robot is de combinatie van bepaalde geometrische kenmerken. Een longitudinaal gat in het midden van de robot en zijdelingse spleten die naar boven gericht waren, verminderden de waterweerstand en hielpen de robot beter te zwemmen. Dit ontwerp veroorzaakt een negatieve druk in de robot voor snel zwemmen en zorgt ondertussen voor zuigkracht voor het ophalen en transporteren van vracht. De onderzoekers maken optimaal gebruik van de geometrische kenmerken van de robot en onderzoeken die ene structuur voor verschillende toepassingen en voor verschillende functies.

Op basis van gesprekken met experts willen de onderzoekers de huidige behandelingen en procedures verbeteren door nieuwe technologieën te ontwikkelen. Dergelijke robots kunnen niet alleen een handige manier zijn om medicijnen effectief toe te dienen, maar kunnen ze ook worden gebruikt om instrumenten of camera's in het lichaam te dragen. Hierdoor verandert de manier waarop artsen patiënten onderzoeken. De wetenschappers werken ook aan het gebruik van ultrasone beeldvorming om te volgen waar robots gaan, zodat het niet meer nodig is om organen open te snijden.

Hoe kleiner des te beter

We zullen dit soort millirobots pas in echte zorgomgevingen zien als er meer bekend is over optimaal ontwerp en best practices op het gebied van beeldvorming. De eerste robots bevinden zich in de fasen die voorafgaan aan proeven met levende dieren die voortkomen uit klinische proeven bij mensen.

In de tussentijd blijven de onderzoekers een verscheidenheid aan nieuwe slimme materialen en structuren combineren tot ontwerpen die uiteindelijk nieuwe biomedische apparaten vormen. Ook willen ze de robots verder miniaturiseren voor biomedisch onderzoek op microschaal.

Foto: Zhao Lab, Stanford University