Nanorobots komen dichter bij klinische proeven met een nieuw model dat hen helpt door de bloedbaan te navigeren

Van het repareren van dodelijke hersenbloedingen tot het aanpakken van tumoren met nauwkeurige chemotherapie: micro-/nanorobots (MNR’s) zijn een veelbelovend, opkomend instrument dat de macht heeft om de gezondheidszorg aanzienlijk te verbeteren. Dit hulpmiddel heeft echter nog steeds moeite met navigeren binnen het menselijk lichaam – een beperking die ervoor heeft gezorgd dat het niet in klinische onderzoeken is opgenomen.

Wiskundige modellen zijn cruciaal voor het optimale ontwerp en de navigatie van MNR’s, maar de huidige modellen zijn ontoereikend. Nu kan nieuw, veelbelovend onderzoek van de Universiteit van Saskatchewan (USask) MNR’s in staat stellen de beperkingen te overwinnen die voorheen hun wijdverbreide gebruik in de weg stonden.

USask College of Engineering professor Dr. Chris Zhang (Ph.D.) en twee Ph.D. studenten (Lujia Ding, NN Hu) samen met twee USask-alumni (Dr. Bing Zhang (Ph.D.), Dr. RY Yin (Ph.D.)) zijn het eerste team dat een zeer nauwkeurig wiskundig model heeft ontwikkeld dat de ontwerp van MNR’s dat hun navigatie verbetert, waardoor ze efficiënt door de bloedbaan kunnen reizen. Hun werk was onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

“Het bestaande model voor deze robots houdt geen rekening met de eigenschap en het bewegingsgedrag van bloed in het menselijk lichaam”, zegt Zhang. “Ons model is nauwkeuriger en geeft de werkelijke situatie weer met realistische beweging van het bloedvat.”

Zhang zegt dat hij meer dan tien jaar geleden geïnspireerd werd om effectieve MNR’s te ontwerpen, nadat de dochter van een voormalige Ph.D. student kreeg een hersenbloeding en onderging een operatie.

“Destijds was het slagingspercentage slechts 25% met een bestuurbare katheter, dus dit is de motivatie voor mijn groep om hier iets te doen dat de overlevingskansen van patiënten met MNR’s kan blijven verhogen”, aldus Zhang.

MNR’s hebben de vorm van een kurkentrekker en worden bestuurd door een extern magnetisch systeem. Ze hebben voldoende kracht nodig om tegen de bloedstroom in te kunnen reizen, net zoals een vis die stroomopwaarts zwemt. In medische gevallen is tijd van essentieel belang, dus het is belangrijk dat MNR’s snel kunnen handelen, zelfs onder uitdagende omstandigheden.

Als MNR’s de obstakels waarmee ze in het menselijk lichaam worden geconfronteerd kunnen overwinnen en zich efficiënt door de bloedbaan kunnen bewegen, stelt hun kleine formaat hen in staat afgelegen gebieden te bereiken, waaronder de zeer kleine bloedvaten in de hersenen of een niet-operabele kankertumor. Hier kunnen MNR’s weefsels repareren en gevaarlijke bloedingen stoppen of chemotherapie of andere medicijnen rechtstreeks afleveren op de plek waar deze medicijnen het meest effectief zijn.

Met nieuwe wiskundige inzichten hebben Zhang en zijn team het veld van MNR’s vooruit geholpen met een raamwerk dat kan dienen als blauwdruk voor een optimaal ontwerp en controle van deze kleine maar machtige robots.

Het onderzoeksteam heeft niet alleen efficiënte MNR’s en een externe voedingseenheid ontwikkeld, maar ze hebben ook een prototype gemaakt met behulp van 3D-printtechnologie. Nadat Zhang het potentieel van hun prototype heeft aangetoond, zegt Zhang dat de volgende stap het starten van klinische proeven zal zijn, de laatste hindernis voor alle MNR’s.

Als het gaat om het oplossen van complexe problemen, gelooft Zhang groot in samenwerking, vooral in het reiken van disciplines over de grenzen heen.

“Ik geniet van dergelijke coöperatieve omgevingen, vooral in de gezondheidszorg. Mijn thuisafdeling is werktuigbouwkunde, maar ik ben zeer actief in biomedische technologie, wat interdisciplinair is, dus ik heb met veel artsen aan het College of Medicine samengewerkt”, zegt Zhang . “In onderzoek heb je verschillende perspectieven nodig.”