technika
Autor: Justyna Jońca | dodano: 2016-10-27
Nanoroboty – lekarze przyszłości?

Fot. Indigo Images


Nanorobot to mierzące maksymalnie kilkaset nanometrów urządzenie, które zostało wykonane z precyzją w skali atomowej i zaprojektowane w celu wykonywania specyficznych zadań. Jak każdy robot składa się m.in. z zasilacza, czujników, manipulatorów, komputerów pokładowych, ale w odróżnieniu od niego jest tak małe, że z łatwością przeciśnie się przez najcieńsze naczynia układu krwionośnego człowieka. W zależności od zastosowania nanoroboty medyczne mogą być dodatkowo wyposażone w nośniki leków, kamery, lasery czy generatory fal ultradźwiękowych… Zupełnie jak w przypadku samochodów produkcja części oraz montaż nanorobotów odbywają się na liniach montażowych we wnętrzu miniaturowych warsztatów. Problem polega na tym, że warsztaty te, a zatem i nanoroboty, nie istnieją. Jeszcze nie istnieją. Aby ich konstruowanie stało się możliwe, musimy nauczyć się manipulować materią na poziomie atomowym, stwarzając swego rodzaju miniaturowe fabryki. Ten pomysł, jakkolwiek abstrakcyjny, nie jest nowy. Już w 1959 r. amerykański fizyk Richard P. Feynman snuł wizje, że zwykłe maszyny mogłyby budować mniejsze maszyny, które następnie budowałyby jeszcze mniejsze urządzenia. Niektóre z wizji Feynmana zostały zrealizowane dzięki nowoczesnej technologii, a szczególne osiągnięcia w tej dziedzinie są wyróżniane nagrodą jego imienia.


The Nanofactory Collaboration, społeczność naukowców stworzona w 2000 r., koordynuje program działań mających na celu stworzenie fabryki, która z kolei wyprodukuje pierwszego nanorobota medycznego. Badacze ci są przekonani, że podstawą jego konstrukcji będą wytrzymałe i lekkie materiały, takie jak nanorurki węglowe, które już dzisiaj podbijają świat medycyny. Badacze nie wykluczają przy tym użycia innych materiałów, zwłaszcza różnego rodzaju cząsteczek organicznych, takich jak białka i DNA. Do konstrukcji nanorobotów chcą zaprzęgnąć skaningowy mikroskop tunelowy, który pozwala obserwować pojedyncze atomy i nimi manipulować.
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology poszli krok dalej i w 2001 r. wbudowali miniaturowy skaningowy mikroskop tunelowy w konstrukcję trójnożnego, wysokiego na 3 cm robota, który porusza się z prędkością 4 tys. kroków na sekundę. Długość kroków wynosi od 30 nm do 50 µm. Konstruktor robota, prof. Sylvain Martel, zapewnia, że jego urządzenie może być użyte do manipulowania pojedynczymi atomami, modyfikowania cząsteczek, opracowywania nowych materiałów czy badania DNA. Marzeniem naukowca jest posiadanie całej armii takich robotów, będących precyzyjnymi narzędziami do budowania nanomaszyn.

Lokomocja, nawigacja i zasilanie
 Ponieważ nanorobot będzie musiał poruszać się czasami przeciwnie do kierunku przepływu krwi, naukowcy muszą wyposażyć go w układ napędowy. Stworzenie nanometrowego silnika wydaje się jednym z mniej abstrakcyjnych pomysłów. Zwłaszcza że pierwsza Nagroda Feynmana została przyznana Williamowi McLellanowi w 1960 r. za zbudowanie silnika elektrycznego, który zmieścił się w sześciennym pudełku o podstawie mniejszej niż 0,5 mm. Wysiłki naukowców na tym się nie zakończyły. Dwa lata temu inżynierowie z Texas University skonstruowali bardzo efektywny nanosilnik, zdolny do poruszania się w płynach. Urządzenie zmieściłoby się we wnętrzu ludzkiej komórki i jest zdolne do ciągłej pracy przez 15 godz. Naukowcy mają nadzieję, że ich nanosilnik zostanie w przyszłości wykorzystany do budowy nanorobotów medycznych.
Niektórzy badacze szukają inspiracji wśród mikroskopijnych organizmów. Dobrym przykładem jest znany nam z lekcji biologii pantofelek. Pierwotniak ten może z łatwością poruszać się w dowolnym kierunku dzięki tzw. wibrującym rzęskom, które pokrywają całe jego ciało.

W 2009 r. naukowcy z Medical Robotics Laboratory w Izraelu przedstawili 14-milimetrowego ViRoba, robota z licznymi wypustkami, wykorzystywanymi przez niego do przemieszczania się. Może on wędrować z prędkością do 9 mm/s naczyniami krwionośnymi oraz przez układ pokarmowy i oddechowy. Ruch wypustek jest napędzany przez nieszkodliwe dla organizmu zewnętrzne pole magnetyczne, dzięki czemu robot nie potrzebuje wewnętrznego źródła energii. Górne wypustki służą do rozpędzania urządzenia, dolne – do zapierania się o ¬ ściany naczyń. Wyjątkowo prosta konstrukcja może się także sprawdzić przy budowie nanorobotów. Film, jak ViRob przemieszcza się przez naczynie, można obejrzeć na www.youtube.com/watch? v=F69J8JDNj8M.
Sam układ napędowy nie sprawi, że nanorobot przemieści się w odpowiednie miejsce. Dlatego system nawigacji jest niezbędnym elementem, który należy brać pod uwagę przy konstrukcji tych urządzeń. Jedno z rozwiązań zakłada zastosowanie pokładowych czujników chemicznych, które mogłyby śledzić stężenie określonych substancji chemicznych, naprowadzając urządzenie na cel. Z kolei zainstalowanie takiego czujnika w ludzkim ciele pozwoliłoby na stałe monitorowanie zdrowia pacjenta. W 2014 r. dr Daniel Roxbury ze Sloan Kettering Institute for Cancer Research w Nowym Jorku zaprezentował nanoczujnik, który reaguje na wzrost stężenia urokinazy – większy poziom tego biomarkera stwierdza się w przypadku progresji niektórych nowotworów. Czujnik jest 100 tys. razy cieńszy niż kartka papieru i składa się z owiniętej łańcuchem DNA nanorurki węglowej, do której zostały dołączone specyficzne przeciwciała. Przeciwciało, wiążąc się z urokinazą, przekazuje wiadomość do nanorurki, która z kolei odczytuje stężenie biomarkera.

Alternatywne rozwiązanie polega na dołączeniu do nanorobotów elementów rozpoznawanych przez receptory komórek nowotworowych. Tak przygotowane urządzenia mogłyby krążyć po krwiobiegu i dosłownie przyklejać się do komórek nowotworowych, tworząc system naprowadzający. Rozwiązanie to jest wykorzystywane już dzisiaj, m.in. do obrazowania zmienionych chorobowo miejsc. Istnieje cała gama nanocząsteczek mogących dzięki odpowiednim modyfikacjom przyczepiać się do komórek nowotworowych. Niektóre z nich, jak tlenek żelaza, mają właściwości magnetyczne, co pozwala sprawniej odróżniać tkanki chore od zdrowych za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.
Z kolei naukowcy z École Polytechnique w Montrealu twierdzą, że skaner rezonansu magnetycznego może służyć nie tylko do obrazowania, ale także do sterowania nanorobotami. Urządzenie to składa się z dwóch rodzajów magnesów, które pozwalają zajrzeć w głąb ludzkiego ciała. Wielki nadprzewodzący magnes tworzy silne pole magnetyczne, podczas gdy trzy słabsze cewki skanujące oddziałują z nim, tworząc trójwymiarowy skan. Słabe impulsy elektromagnetyczne wytworzone przez cewki mogą być użyte do wywierania siły na mały magnetyczny obiekt umieszczony w skanerze. Odpowiednio przeprogramowane urządzenie mogłoby zatem służyć zarówno do obrazowania, jak i manipulowania obiektami magnetycznymi w żywym organizmie. W 2007 r. naukowcy z Montrealu przetestowali swój pomysł, manewrując małą cząsteczką magnetyczną znajdującą się w tętnicy świni. Rozwiązanie to wydaje się bardzo obiecujące, zwłaszcza że wiele szpitali posiada ten sprzęt.
Zasilanie nanorobotów jest kolejnym problemem, z jakim muszą się zmierzyć naukowcy. Niektórzy konstruktorzy polegają na właściwościach naszego ciała, które samo w sobie może posłużyć do generowania potrzebnej energii. W 2010 r. naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute zademonstrowali baterię, która może być zasilana substancjami znajdującymi się we krwi, takimi jak cukry (glukoza) czy kwasy organiczne (kwas mlekowy i pirogronowy). Bateria  zbudowana jest w głównej mierze z celulozy, czyli po prostu z papieru. Resztę konstrukcji stanowią nanorurki węglowe, które spełniają funkcję elektrod. Najciekawsze jest to, że kształt i rozmiar urządzenia mogą być dostosowane do indywidualnych potrzeb.
Nanoroboty mogą być zasilane również z zewnątrz, np. dzięki sygnałom ultradźwiękowym. Urządzenie z pokładową membraną piezoelektryczną mogłoby odbierać te sygnały i przekształcać je w energię elektryczną. Przykładem takiej membrany może być nanokompozyt przedstawiony w 2014 r. przez badaczy z Georgia Institute of Technology. Membrana składa się z piezoelektrycznych nanocząsteczek i nanorurek węglowych zanurzonych w matrycy polimerowej. Jest to najtańsze i najbardziej efektywne urządzenie tego typu, jakie istnieje na rynku.

Zestaw małego chirurga

Po zlokalizowaniu problemu medycznego i dotarciu w miejsce wymagające leczenia nanorobot będzie mógł robić to, do czego został stworzony. Potrzebuje jednak do tego arsenału narzędzi, które, jak się łatwo domyślić, będą jeszcze mniejsze niż on sam. Nanoroboty uzbrojone w miniaturowe narzędzia mogłyby wykonywać skomplikowane operacje na pojedynczych komórkach. Pół roku temu naukowcy z University of California przedstawili tytanowy nanonóż, którym przecięli komórkę i wprowadzili do niej mitochondrium, czyli kilkumikrometrowe organellum komórkowe odpowiedzialne za wytwarzanie energii potrzebnej komórce. Naukowcy zapewniają, że urządzenie może służyć do precyzyjnej manipulacji innymi elementami komórek.

Różnego rodzaju sondy, noże i dłuta mogą być również bardzo skuteczne w usuwaniu zakrzepów, ale nie sprawdzą się przy niszczeniu tkanek nowotworowych. Uwolnione w wyniku cięcia zmienione komórki mogłyby rozprzestrzenić się po krwiobiegu i przyczynić do powstania przerzutów do zdrowych tkanek. Lepiej sprawdzą się tutaj pokładowe generatory sygnałów ultradźwiękowych lub emitery mikrofal, które niszcząc wiązania chemiczne w komórkach nowotworowych, doprowadziłyby do ich ostatecznej likwidacji. Alternatywne rozwiązanie polega na użyciu pokładowych laserów, które nagrzewając zmienione komórki, doprowadziłyby do ich wyparowania. Należy jednak przy tym wszystkim pamiętać, że konstrukcja malutkiego lasera, który będzie wystarczająco silny, aby zniszczyć komórki nowotworowe, jest wyzwaniem samym w sobie. Jeszcze trudniejsze wydaje się zaprojektowanie urządzenia, które nie będzie niszczyło otaczających go zdrowych tkanek.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie” 11/2016

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 11/2016 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
05/2017
04/2017
Kalendarium
Kwiecień
27
W 1981 r. Xerox PARC zaprezentował mysz komputerową, która otworzyła drogę dla interfejsu graficznego.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Justyna Jońca | dodano: 2016-10-27
Nanoroboty – lekarze przyszłości?

Fot. Indigo Images


Nanorobot to mierzące maksymalnie kilkaset nanometrów urządzenie, które zostało wykonane z precyzją w skali atomowej i zaprojektowane w celu wykonywania specyficznych zadań. Jak każdy robot składa się m.in. z zasilacza, czujników, manipulatorów, komputerów pokładowych, ale w odróżnieniu od niego jest tak małe, że z łatwością przeciśnie się przez najcieńsze naczynia układu krwionośnego człowieka. W zależności od zastosowania nanoroboty medyczne mogą być dodatkowo wyposażone w nośniki leków, kamery, lasery czy generatory fal ultradźwiękowych… Zupełnie jak w przypadku samochodów produkcja części oraz montaż nanorobotów odbywają się na liniach montażowych we wnętrzu miniaturowych warsztatów. Problem polega na tym, że warsztaty te, a zatem i nanoroboty, nie istnieją. Jeszcze nie istnieją. Aby ich konstruowanie stało się możliwe, musimy nauczyć się manipulować materią na poziomie atomowym, stwarzając swego rodzaju miniaturowe fabryki. Ten pomysł, jakkolwiek abstrakcyjny, nie jest nowy. Już w 1959 r. amerykański fizyk Richard P. Feynman snuł wizje, że zwykłe maszyny mogłyby budować mniejsze maszyny, które następnie budowałyby jeszcze mniejsze urządzenia. Niektóre z wizji Feynmana zostały zrealizowane dzięki nowoczesnej technologii, a szczególne osiągnięcia w tej dziedzinie są wyróżniane nagrodą jego imienia.


The Nanofactory Collaboration, społeczność naukowców stworzona w 2000 r., koordynuje program działań mających na celu stworzenie fabryki, która z kolei wyprodukuje pierwszego nanorobota medycznego. Badacze ci są przekonani, że podstawą jego konstrukcji będą wytrzymałe i lekkie materiały, takie jak nanorurki węglowe, które już dzisiaj podbijają świat medycyny. Badacze nie wykluczają przy tym użycia innych materiałów, zwłaszcza różnego rodzaju cząsteczek organicznych, takich jak białka i DNA. Do konstrukcji nanorobotów chcą zaprzęgnąć skaningowy mikroskop tunelowy, który pozwala obserwować pojedyncze atomy i nimi manipulować.
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology poszli krok dalej i w 2001 r. wbudowali miniaturowy skaningowy mikroskop tunelowy w konstrukcję trójnożnego, wysokiego na 3 cm robota, który porusza się z prędkością 4 tys. kroków na sekundę. Długość kroków wynosi od 30 nm do 50 µm. Konstruktor robota, prof. Sylvain Martel, zapewnia, że jego urządzenie może być użyte do manipulowania pojedynczymi atomami, modyfikowania cząsteczek, opracowywania nowych materiałów czy badania DNA. Marzeniem naukowca jest posiadanie całej armii takich robotów, będących precyzyjnymi narzędziami do budowania nanomaszyn.

Lokomocja, nawigacja i zasilanie
 Ponieważ nanorobot będzie musiał poruszać się czasami przeciwnie do kierunku przepływu krwi, naukowcy muszą wyposażyć go w układ napędowy. Stworzenie nanometrowego silnika wydaje się jednym z mniej abstrakcyjnych pomysłów. Zwłaszcza że pierwsza Nagroda Feynmana została przyznana Williamowi McLellanowi w 1960 r. za zbudowanie silnika elektrycznego, który zmieścił się w sześciennym pudełku o podstawie mniejszej niż 0,5 mm. Wysiłki naukowców na tym się nie zakończyły. Dwa lata temu inżynierowie z Texas University skonstruowali bardzo efektywny nanosilnik, zdolny do poruszania się w płynach. Urządzenie zmieściłoby się we wnętrzu ludzkiej komórki i jest zdolne do ciągłej pracy przez 15 godz. Naukowcy mają nadzieję, że ich nanosilnik zostanie w przyszłości wykorzystany do budowy nanorobotów medycznych.
Niektórzy badacze szukają inspiracji wśród mikroskopijnych organizmów. Dobrym przykładem jest znany nam z lekcji biologii pantofelek. Pierwotniak ten może z łatwością poruszać się w dowolnym kierunku dzięki tzw. wibrującym rzęskom, które pokrywają całe jego ciało.

W 2009 r. naukowcy z Medical Robotics Laboratory w Izraelu przedstawili 14-milimetrowego ViRoba, robota z licznymi wypustkami, wykorzystywanymi przez niego do przemieszczania się. Może on wędrować z prędkością do 9 mm/s naczyniami krwionośnymi oraz przez układ pokarmowy i oddechowy. Ruch wypustek jest napędzany przez nieszkodliwe dla organizmu zewnętrzne pole magnetyczne, dzięki czemu robot nie potrzebuje wewnętrznego źródła energii. Górne wypustki służą do rozpędzania urządzenia, dolne – do zapierania się o ¬ ściany naczyń. Wyjątkowo prosta konstrukcja może się także sprawdzić przy budowie nanorobotów. Film, jak ViRob przemieszcza się przez naczynie, można obejrzeć na www.youtube.com/watch? v=F69J8JDNj8M.
Sam układ napędowy nie sprawi, że nanorobot przemieści się w odpowiednie miejsce. Dlatego system nawigacji jest niezbędnym elementem, który należy brać pod uwagę przy konstrukcji tych urządzeń. Jedno z rozwiązań zakłada zastosowanie pokładowych czujników chemicznych, które mogłyby śledzić stężenie określonych substancji chemicznych, naprowadzając urządzenie na cel. Z kolei zainstalowanie takiego czujnika w ludzkim ciele pozwoliłoby na stałe monitorowanie zdrowia pacjenta. W 2014 r. dr Daniel Roxbury ze Sloan Kettering Institute for Cancer Research w Nowym Jorku zaprezentował nanoczujnik, który reaguje na wzrost stężenia urokinazy – większy poziom tego biomarkera stwierdza się w przypadku progresji niektórych nowotworów. Czujnik jest 100 tys. razy cieńszy niż kartka papieru i składa się z owiniętej łańcuchem DNA nanorurki węglowej, do której zostały dołączone specyficzne przeciwciała. Przeciwciało, wiążąc się z urokinazą, przekazuje wiadomość do nanorurki, która z kolei odczytuje stężenie biomarkera.

Alternatywne rozwiązanie polega na dołączeniu do nanorobotów elementów rozpoznawanych przez receptory komórek nowotworowych. Tak przygotowane urządzenia mogłyby krążyć po krwiobiegu i dosłownie przyklejać się do komórek nowotworowych, tworząc system naprowadzający. Rozwiązanie to jest wykorzystywane już dzisiaj, m.in. do obrazowania zmienionych chorobowo miejsc. Istnieje cała gama nanocząsteczek mogących dzięki odpowiednim modyfikacjom przyczepiać się do komórek nowotworowych. Niektóre z nich, jak tlenek żelaza, mają właściwości magnetyczne, co pozwala sprawniej odróżniać tkanki chore od zdrowych za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego.
Z kolei naukowcy z École Polytechnique w Montrealu twierdzą, że skaner rezonansu magnetycznego może służyć nie tylko do obrazowania, ale także do sterowania nanorobotami. Urządzenie to składa się z dwóch rodzajów magnesów, które pozwalają zajrzeć w głąb ludzkiego ciała. Wielki nadprzewodzący magnes tworzy silne pole magnetyczne, podczas gdy trzy słabsze cewki skanujące oddziałują z nim, tworząc trójwymiarowy skan. Słabe impulsy elektromagnetyczne wytworzone przez cewki mogą być użyte do wywierania siły na mały magnetyczny obiekt umieszczony w skanerze. Odpowiednio przeprogramowane urządzenie mogłoby zatem służyć zarówno do obrazowania, jak i manipulowania obiektami magnetycznymi w żywym organizmie. W 2007 r. naukowcy z Montrealu przetestowali swój pomysł, manewrując małą cząsteczką magnetyczną znajdującą się w tętnicy świni. Rozwiązanie to wydaje się bardzo obiecujące, zwłaszcza że wiele szpitali posiada ten sprzęt.
Zasilanie nanorobotów jest kolejnym problemem, z jakim muszą się zmierzyć naukowcy. Niektórzy konstruktorzy polegają na właściwościach naszego ciała, które samo w sobie może posłużyć do generowania potrzebnej energii. W 2010 r. naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute zademonstrowali baterię, która może być zasilana substancjami znajdującymi się we krwi, takimi jak cukry (glukoza) czy kwasy organiczne (kwas mlekowy i pirogronowy). Bateria  zbudowana jest w głównej mierze z celulozy, czyli po prostu z papieru. Resztę konstrukcji stanowią nanorurki węglowe, które spełniają funkcję elektrod. Najciekawsze jest to, że kształt i rozmiar urządzenia mogą być dostosowane do indywidualnych potrzeb.
Nanoroboty mogą być zasilane również z zewnątrz, np. dzięki sygnałom ultradźwiękowym. Urządzenie z pokładową membraną piezoelektryczną mogłoby odbierać te sygnały i przekształcać je w energię elektryczną. Przykładem takiej membrany może być nanokompozyt przedstawiony w 2014 r. przez badaczy z Georgia Institute of Technology. Membrana składa się z piezoelektrycznych nanocząsteczek i nanorurek węglowych zanurzonych w matrycy polimerowej. Jest to najtańsze i najbardziej efektywne urządzenie tego typu, jakie istnieje na rynku.

Zestaw małego chirurga

Po zlokalizowaniu problemu medycznego i dotarciu w miejsce wymagające leczenia nanorobot będzie mógł robić to, do czego został stworzony. Potrzebuje jednak do tego arsenału narzędzi, które, jak się łatwo domyślić, będą jeszcze mniejsze niż on sam. Nanoroboty uzbrojone w miniaturowe narzędzia mogłyby wykonywać skomplikowane operacje na pojedynczych komórkach. Pół roku temu naukowcy z University of California przedstawili tytanowy nanonóż, którym przecięli komórkę i wprowadzili do niej mitochondrium, czyli kilkumikrometrowe organellum komórkowe odpowiedzialne za wytwarzanie energii potrzebnej komórce. Naukowcy zapewniają, że urządzenie może służyć do precyzyjnej manipulacji innymi elementami komórek.

Różnego rodzaju sondy, noże i dłuta mogą być również bardzo skuteczne w usuwaniu zakrzepów, ale nie sprawdzą się przy niszczeniu tkanek nowotworowych. Uwolnione w wyniku cięcia zmienione komórki mogłyby rozprzestrzenić się po krwiobiegu i przyczynić do powstania przerzutów do zdrowych tkanek. Lepiej sprawdzą się tutaj pokładowe generatory sygnałów ultradźwiękowych lub emitery mikrofal, które niszcząc wiązania chemiczne w komórkach nowotworowych, doprowadziłyby do ich ostatecznej likwidacji. Alternatywne rozwiązanie polega na użyciu pokładowych laserów, które nagrzewając zmienione komórki, doprowadziłyby do ich wyparowania. Należy jednak przy tym wszystkim pamiętać, że konstrukcja malutkiego lasera, który będzie wystarczająco silny, aby zniszczyć komórki nowotworowe, jest wyzwaniem samym w sobie. Jeszcze trudniejsze wydaje się zaprojektowanie urządzenia, które nie będzie niszczyło otaczających go zdrowych tkanek.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie” 11/2016