Pada suatu malam musim gugur yang cerah di tahun 2006, Dr. Sylvain Martel menahan napas saat seorang teknisi memasukkan babi anestesi ke dalam mesin fMRI yang berputar. Matanya menatap layar komputer yang menunjukkan manik magnetis yang tergantung di pembuluh darah babi yang tipis. Ketegangan di dalam ruangan bisa dirasakan secara fisik. Tiba-tiba balon itu menjadi hidup dan meluncur di atas kapal seperti kapal selam mikroskopis yang menuju ke tujuannya. Tim bertepuk tangan.
Martel dan timnya sedang menguji cara baru untuk mengendalikan benda-benda kecil dari jarak jauh di dalam hewan hidup dengan memanipulasi kekuatan magnet mesin. Dan untuk pertama kalinya berhasil.
Ilmuwan dan penulis telah lama memimpikan robot kecil yang bergerak melalui sistem peredaran darah besar tubuh seperti penjelajah ruang angkasa yang mempelajari galaksi dan penghuninya. Potensinya sangat besar: robot medis kecil dapat, misalnya, mentransfer obat radioaktif ke kelompok kanker, melakukan operasi di dalam tubuh, atau membersihkan gumpalan darah jauh di dalam jantung atau otak.
Sebuah mimpi, mimpi, tetapi dengan bantuan robot, kata Dr. Bradley Nelson dari Polytechnic University of Zurich, orang bisa terjun langsung ke aliran darah untuk melakukan operasi otak.
Saat ini, mikro-robot medis sebagian besar bersifat fiksi, tetapi ini mungkin berubah dalam dekade berikutnya. Minggu ini, Dr Mariana Medina-Sánchez dan Oliver Schmidt dari Leibniz Institute for Solids and Material Research di Dresden, Jerman, menerbitkan sebuah makalah di Nature yang beralih dari layar besar ke laboratorium rekayasa nano, menguraikan prioritas dan tes realistis untuk menghidupkan kembali ahli bedah kecil ini.
Penciptaan penggerak
Mikro-robot medis adalah bagian dari perjalanan kedokteran menuju miniaturisasi. Pada tahun 2001, perusahaan Israel memperkenalkan PillCam, kapsul plastik berukuran permen yang dilengkapi dengan kamera, baterai, dan modul nirkabel. Saat bepergian melalui saluran pencernaan, PillCam secara berkala mengirim kembali gambar secara nirkabel, menawarkan metode diagnostik yang lebih sensitif dan tidak terlalu beracun daripada endoskopi atau radiografi tradisional.
Video promosi:
PillCam sangat besar untuk mikrorobot yang sempurna, membuatnya hanya cocok untuk tabung yang relatif lebar dari sistem pencernaan kita. Pil ini juga pasif dan tidak bisa berlama-lama di tempat-tempat menarik untuk pemeriksaan lebih rinci.
“Robot medis yang nyata harus bergerak dan berkembang melalui jaringan kompleks tubulus berisi cairan di dalam jaringan jauh di dalam tubuh,” jelas Martel.
Tubuh, sayangnya, tidak terlalu menyambut tamu luar. Robot mikro harus tahan terhadap cairan lambung yang korosif dan mengapung ke hulu di aliran darah tanpa motor.
Laboratorium di seluruh dunia sedang mencoba mencari alternatif yang masuk akal untuk memecahkan masalah gizi. Salah satu idenya adalah membuat roket kimia: robot mikro silinder dengan "bahan bakar" - logam atau katalis lain - yang bereaksi dengan cairan perut atau cairan lain, mengeluarkan gelembung dari bagian belakang silinder.
“Motor ini sulit dikendalikan,” kata Medina-Sanchez dan Schmidt. Secara kasar kita dapat mengontrol arahnya menggunakan gradien kimia, tetapi tidak cukup kuat atau efektif. Merancang bahan bakar tidak beracun berdasarkan gula, urea, atau cairan tubuh lainnya juga menghadapi tantangan.
Alternatif yang lebih baik adalah motor fisik logam yang dapat diaktifkan oleh perubahan medan magnet. Martel, seperti yang ditunjukkan dalam demonstrasi bead-in-pig-nya, adalah salah satu orang pertama yang menyelidiki motor semacam itu.
Mesin MRI sangat ideal untuk mengendalikan dan mencitrakan prototipe logam mikrorobot, jelas Martel. Mesin memiliki beberapa set kumparan magnet: set utama memagnetisasi microrobot setelah dimasukkan ke dalam aliran darah melalui kateter. Kemudian, dengan memanipulasi kumparan gradien MRI, kita dapat menghasilkan medan magnet lemah untuk mendorong mikrorobot melalui pembuluh darah atau tabung biologis lainnya.
Dalam percobaan selanjutnya, Martel membuat nanopartikel besi dan kobalt yang dilapisi dengan obat antikanker dan disuntikkan tentara kecil ini ke kelinci. Menggunakan program komputer untuk mengubah medan magnet secara otomatis, timnya mengarahkan bot tepat pada sasaran. Meskipun tidak ada tumor yang sebenarnya dalam penelitian khusus ini, Martel mengatakan proyek seperti ini dapat berguna dalam memerangi kanker hati dan tumor lain dengan pembuluh yang relatif besar.
Mengapa tidak kapal kecil? Masalahnya lagi-lagi energi. Martel mampu mengecilkan robot menjadi beberapa ratus mikrometer - apapun yang kurang membutuhkan gradien magnetis yang begitu besar sehingga mengganggu neuron di otak.
Microborg
Solusi yang lebih elegan adalah dengan menggunakan motor biologis yang sudah ada di alam. Bakteri dan sperma dipersenjatai dengan ekor whiplash yang secara alami mendorong mereka melalui terowongan berliku dan rongga tubuh untuk melakukan reaksi biologis.
Dengan menggabungkan bagian mekanis dengan bagian biologis, seseorang dapat membuat kedua komponen ini saling melengkapi jika salah satunya gagal.
Contohnya adalah bot sperma. Schmidt merancang gulungan logam kecil yang membungkus sperma yang malas, memberinya mobilitas untuk mencapai sel telur. Sperma juga dapat diisi dengan obat-obatan yang terkait dengan mikrostruktur magnetik untuk mengobati kanker di saluran reproduksi.
Ada juga kelompok khusus bakteri MC-1 yang selaras dengan medan magnet bumi. Dengan menghasilkan medan yang relatif lemah - cukup untuk mengatasi bumi - para ilmuwan dapat mengarahkan kompas internal bakteri menuju target baru seperti kanker.
Sayangnya, bakteri MC-1 hanya dapat bertahan dalam darah hangat selama 40 menit, dan kebanyakan tidak cukup kuat untuk berenang melawan aliran darah. Martel ingin menciptakan sistem hibrid antara bakteri dan kantung lemak. Gelembung, sarat dengan partikel magnet dan bakteri, akan diarahkan ke kapal yang lebih besar menggunakan medan magnet yang kuat sampai mereka memasuki wadah yang lebih sempit. Kemudian mereka meledak dan melepaskan segerombolan bakteri, yang dengan cara yang sama, menggunakan medan magnet yang lemah, akan menyelesaikan perjalanan mereka.
Bergerak kedepan
Sementara para ilmuwan telah membuat sketsa banyak ide tentang propulsi, melacak mikrorobot setelah ditanamkan ke dalam tubuh tetap menjadi tantangan besar.
Kombinasi teknik pencitraan yang berbeda dapat membantu. Pencitraan ultrasound, MRI, dan inframerah terlalu lambat untuk mengamati operasi robot mikro jauh di dalam tubuh. Tetapi dengan menggabungkan cahaya, suara, dan gelombang elektromagnetik, kami dapat meningkatkan resolusi dan sensitivitas.
Idealnya, teknik pencitraan harus dapat melacak mikromotor 10 sentimeter di bawah kulit, dalam 3D dan secara real time, bergerak dengan kecepatan minimum puluhan mikrometer per detik, kata Medina-Sanchez dan Schmidt.
Saat ini, ini sulit untuk dicapai, tetapi para ilmuwan berharap bahwa teknik optoakustik yang canggih, yang menggabungkan pencitraan inframerah dan ultrasound, dapat menjadi cukup baik untuk melacak robot mikro dalam beberapa tahun.
Dan kemudian pertanyaannya tetap, apa yang harus dilakukan dengan robot di akhir misi mereka. Membiarkannya melayang di dalam tubuh berarti memungkinkan terjadinya pembekuan atau efek samping bencana lainnya seperti keracunan logam. Membuat robot kembali ke titik awalnya (mulut, mata, dan bukaan alami lainnya) bisa sangat melelahkan. Oleh karena itu, para ilmuwan sedang mempertimbangkan pilihan yang lebih baik: menghilangkan robot dengan cara alami atau membuatnya dari bahan yang dapat terurai secara hayati.
Yang terakhir memiliki kelebihan tersendiri: jika bahan sensitif terhadap panas, keasaman, atau faktor tubuh lainnya, bahan tersebut dapat digunakan untuk membuat biorobot otonom yang bekerja tanpa baterai. Misalnya, para ilmuwan telah membuat "penggenggam" berbentuk bintang kecil yang menutup di sekitar jaringan saat terkena panas. Ketika ditempatkan di sekitar organ atau jaringan yang sakit, grapple dapat dibiopsi secara in situ, menawarkan metode yang kurang invasif untuk skrining kanker usus besar atau melacak penyakit radang usus kronis.
“Tujuannya adalah untuk membuat robot mikro yang dapat merasakan, mendiagnosis, dan bertindak secara mandiri saat manusia mengawasi dan tetap terkendali jika terjadi kerusakan,” kata Medina-Sanchez dan Schmidt.
Perjalanan fantastis mikro-robot medis baru saja dimulai.
Semua kombinasi bahan, mikroorganisme, dan mikrostruktur harus diuji tanpa batas waktu untuk memastikan keamanannya, pertama pada hewan dan kemudian pada manusia. Ilmuwan juga menunggu bantuan dari regulator.
Tetapi optimisme para ilmuwan tidak mengering.
“Melalui inisiatif terkoordinasi, robot mikro dapat membawa kita ke era terapi non-invasif selama sepuluh tahun,” kata para peneliti.
ILYA KHEL
