Nanorobot
Prin nanorobot înțelegem orice sistem capabil să facă modificări mediului înconjurător, într-un mod controlat și previzibil, având dimensiuni similare celor moleculare sau chiar atomice.
Nanorobotica este o disciplină tehnologică care studiază modul de fabricare a mașinilor sau roboților la o scară apropiată de scala nanometrică (1 / 1.000.000.000 de metri ) cu tehnologii care aparțin domeniului nanotehnologiei și mai specific nanomecatronicii .
Nanorobotii sunt dispozitive a căror dimensiune variază de obicei de la 0,1 la 10 micrometri, fiind alcătuită din componente moleculare a căror ordine de mărime se încadrează în nanoscală.
Exemplu de nanoroboti biologici
Revista britanică New Scientist , din numărul din 28 februarie 2004 , a anunțat că cercetătorul american Carlos Montemagno, împreună cu colaboratorii săi de la Universitatea din California din Los Angeles , a dezvoltat un nanorobot alimentat cu glucoză a cărui propulsie a fost făcută pornind de la fragment al mușchiului cardiac al șobolanului [1] Dispozitivul, format dintr-un fir de siliciu arcuit, sub care sunt implantate fibrele miocardice, nu este mai gros decât un fir de păr uman. „Mașina” a reușit să serpuiască la o viteză de ordinul a 40 micrometri pe secundă, grație energiei furnizate miocardului de glucoză . Mișcarea are loc datorită tensiunii și eliberării părții arcuite, datorită contracției și relaxării fibrelor musculare conectate.
Aplicații
Nanomedicina
Unul dintre domeniile previzibile de aplicare este cel medical. De exemplu, sistemul antrenat de fibre musculare ar putea ajuta pacienții ale căror nervi frenici sunt deteriorați, rezultând dureri în respirație, folosindu-și fibrele cardiace, forțând diafragma să se contracte. Inserați în corpul uman, acești bio-roboți ar putea flexa mai degrabă un material piezoelectric decât un fir de siliciu: emisia descărcărilor electrice rezultate din îndoire, datorită diferențelor potențiale de ordinul câtorva milivolți, ar putea funcționa ca un stimul pentru nervii.ne frânează.
Printre cele mai interesante aplicații care pot fi conjecturate pentru nanorobotați, există construcția de mașini extrem de complexe și multifuncționale, care ar putea permite reconstrucția țesuturilor vii prin intermediul unei injecții subcutanate simple. Acești nanoroboti, suficient de mici pentru a intra într-o celulă vie , ar putea înlocui sau repara organitele , pot modifica acizii nucleici - de aici și codul genetic - sau ar putea îndeplini alte sarcini care altfel ar necesita microchirurgie invazivă.
Aplicații în oncologie
Cancerul este o boală genetică , adică este declanșat de mutații genetice de diferite tipuri care duc apoi la o proliferare necontrolată a celulelor bolnave. Imensitatea mutațiilor care duc la formarea unui tip de tumoare face ca acest tip de boală să fie foarte dificil de vindecat: ceea ce aparent poate părea un tip „definit” de cancer, cum ar fi cancerul de sân sau de plămâni, în realitate poate fi declanșat de diferite mutații genetice care diversifică și agresivitatea tumorii în sine. Chimioterapia este cel mai utilizat tratament pentru tratamentul tumorilor, dar este foarte invaziv, deoarece blochează complet dezvoltarea celulară, deci nu numai celulele bolnave, ci și celulele sănătoase. Este un tratament care afectează întregul corp, cu efecte secundare chiar grave. Cu toate acestea, există anumite tipuri de cancer împotriva cărora nici chimioterapia nu este eficientă.
Pentru a găsi tratamente mai puțin agresive și terapii mai eficiente, cercetarea s-a mutat în domenii referitoare la terapia țintă (sau terapia țintită ), în anumite cazuri cu rezultate excelente. Această terapie se bazează pe identificarea masei cancerigene și pe utilizarea de medicamente sau tehnologii specifice care acționează la un nivel vizat (în raport cu mutația genetică care a generat tumoarea); în plus, acest tip de tratament este capabil să evite deteriorarea țesuturilor sănătoase, limitându-se la distrugerea selectivă doar a celor canceroase. Pentru utilizarea terapiei țintă este necesar să se intervină cu tehnologii care au aceleași dimensiuni ca și componentele biologice sau în ordinea de mărime a nanometrului.
Constituția și funcționalitatea nanorobotilor în oncologie
Medicamentele nanometrice sunt în general formate din polimeri sau lipozomi , aceștia din urmă fiind particule formate din două straturi lipidice între care există apă.
Sunt foarte utile în domeniul medical deoarece sunt netoxice, biocompatibile și caracterizate atât de o structură hidrofobă (partea formată din lipide), cât și de hidrofilă (stratul intermediar format din apă) care le face capabile să transporte o mare varietate de substanțe [2] .
Primii nanoroboti testați au fost alcătuiți din lipozomi sau molecule organice de diferite tipuri, de obicei pe bază de polimeri.
Mai recent, a existat o trecere la crearea nanorobotilor asamblați cu foi de ADN .
Nanorobotii sunt folosiți în domeniul medical al teranosticelor (termen care combină „terapie” și „diagnostic”).
Terapie
De obicei, în ceea ce privește terapia cancerului, nanorobotii sunt utilizați în contextul administrării medicamentelor , adică sunt folosiți ca vehicul pentru eliberarea substanțelor (de obicei medicamente și enzime) în interiorul cancerului.
Nanorobotii existenți sunt de natură diferită și se mișcă în mod diferit în jurul corpului, dar, în ceea ce privește structura și funcția, toate sunt concepute la fel: cărturarii au construit un model de bază cu un braț și o mână pe care să localizeze ingredientul activ . Din structura inițială descrisă, în funcție de necesități, sunt create structuri mai complexe capabile să îndeplinească sarcinile pentru care au fost proiectate nanorobotii; de exemplu, se pot adăuga mai multe brațe în cazul în care este necesară eliberarea simultană a mai multor molecule sau alte ajustări de acest fel în funcție de acțiunea vizată necesară.
Cea mai importantă componentă a tuturor celor care alcătuiesc nanorobotul este o coadă, care este capabilă să recunoască momentul în care nanorobotul a ajuns la locul său, adică în interiorul cancerului. Acesta nu este altceva decât un aptamer (de obicei un ligand care se leagă de un receptor , care este de obicei o proteină sau o enzimă.) Selectivitatea acestui proces este foarte importantă: sunt creați aptameri care se pot lega doar de entități. cancer sau în imediata sa apropiere (receptori și biomarkeri ), astfel încât eliberarea medicamentului să aibă loc numai în acel moment și ca țesuturile sănătoase să nu sufere degenerare.
În unele cazuri se folosește o sondă în locul aptamerului , capabilă să detecteze concentrația de oxigen: tumora, datorită proliferării și creșterii incomensurabile a celulelor, consumă mult oxigen, prin urmare, acolo unde există o concentrație mai mică de oxigen. „în cele din urmă, nanorobotul simte că se află în vecinătatea cancerului și eliberează ingredientul activ.
Nanoroboti controlați printr-un câmp magnetic
Printre primii nanoroboti care au fost proiectati sunt cei condusi de un camp magnetic .
Cele mai relevante dintre acestea sunt cele caracterizate printr-un cap de material magnetic și o coadă care, prin rotire, ajută la propulsie. Dacă este supus unui câmp rotativ, capul se rotește, dând o nouă împingere la nanorobot și îi permite, de asemenea, să-și controleze mișcarea în interiorul corpului.
Printre acestea există o tipologie care exploatează utilizarea unei clase de bacterii: bacteriile magnetotactice , care se orientează folosind câmpul magnetic al pământului. Acestea sunt agățate de capul nanorobotului și, deoarece sunt afectate de prezența unui câmp, datorită bacteriei, cercetătorii sunt capabili să ghideze nanorobotul printr-un câmp magnetic extern. Pe acești nanoroboti se folosește în mod obișnuit sonda care este afectată de scăderea concentrației de oxigen menționată mai sus [3] . Dintre bacteriile menționate mai sus, cea mai utilizată în laborator este magnetococcus marinus [4] , care este o bacterie marină obișnuită să trăiască la adâncimi mari și, prin urmare, se deplasează spontan spre zone hipoxice. Bacteriile magnetotactice mor în interiorul corpului după aproximativ 30 de minute.
În alte cazuri, nanorobotii în formă elicoidală au fost creați folosind materiale magnetice sau aceștia din urmă au fost depuși deasupra polimerilor care alcătuiau nanorobotul sau, în alte cazuri, materialele magnetice au fost inserate în structura polimerică [5] .
Nanoroboti autonomi
Recent, s-a lucrat la crearea nanorobotilor autonomi creați prin asamblarea cărămizilor sau a foilor de ADN. Acest tip de tehnică ia și numele științei Origami [6] , deoarece asamblarea acestor foi ADN amintește de această practică. Pe suprafața acestora se introduce, pe lângă aptamer , și o enzimă: trombina, responsabilă de coagularea sângelui.
Nanorobotiți din foi de ADN sunt primii care sunt autonomi. Acestea sunt introduse în fluxul sanguin și prin aptamer sunt capabile să recunoască atunci când se află în interiorul masei canceroase. După intrarea în tumoră, eliberează trombină, care provoacă un cheag și astfel blochează aportul de sânge care alimentează cancerul, provocând necroza acestuia .
Nanoroboti de ADN guvernat de câmp electric
ADN-ul se caracterizează prin molecule încărcate negativ, iar acest lucru înseamnă că nanoroboturile formate din foi de ADN pot fi guvernate de un câmp electric extern. Acest tip de abordare este de obicei utilizat atunci când doriți ca nanorobotul să ajungă foarte repede la locul dorit sau când doriți să aveți un control strict asupra brațului care transportă medicamentul sau enzima.
Sarcinile negative prezente pe ADN îl fac utilizabil și în aplicațiile electronice.
Diagnostic
În ceea ce privește diagnosticul, punctele cuantice sunt de obicei inserate în structura nanorobotului. Când ajunge la celulele canceroase, se atașează de ele prin ligand. Ulterior, ființa vie este iradiată de lumina ultravioletă care îndeamnă punctele cuantice să emită o lumină fosforescentă care să permită identificarea și evaluarea dimensiunii tumorii. Cu toate acestea, utilizarea nanoroboturilor în diagnosticare nu este utilizată pe scară largă, iar utilizarea principală a punctelor cuantice în nanoroboturi are loc în experimente de laborator care permit verificarea eficacității prototipurilor în recunoașterea receptorului: odată ce aptamerul s- a agățat, masa carcinogenă este iluminată pentru a verifica dacă nanorobotul sa legat selectiv de receptorul dorit.
Alte posibile aplicații medicale
- Diagnosticul precoce al cancerului și administrarea țintită a medicamentelor [7] [8] [9]
- Instrumentare biomedicală [10]
- Chirurgie [11] [12]
- Farmacocinetica [13]
- Monitorizarea diabetului [14] [15] [16]
- Sănătate [17] [18] [19] [20] [21]
Notă
- ^ Anil Ananthaswamy, „Primul robot mutat de puterea musculară”. Arhivat 9 mai 2015 la Internet Archive ., New Scientist , 28 februarie 2004.
- ^ Matteo Bassi, Irene Santiello, Andrea Bevilacqua, Pierfrancesco Bassi, Nanotehnologii: o revoluție care începe de la mic , în Urologie .
- ^ Legiuni de nanoroboti vizează cu precizie tumorile canceroase , pe sciencedaily.com . Adus la 20 iunie 2018 ( arhivat la 20 iunie 2018) .
- ^ Leslie Mertz, Tiny Conveyance: Micro- și nanorobot se pregătesc pentru a avansa medicina , în IEEE PULSE , ianuarie / februarie 2018.
- ^ Famin Qiu și Bradley J. Nelson, Magnetic Helical Micro - and nanorobot: Toward Their Biomedical Application , în Inginerie , vol. 1.
- ^ Nanoroboti care luptă împotriva cancerului, programați să caute și să distrugă tumorile , pe sciencedaily.com . Adus la 20 iunie 2018 ( arhivat la 20 iunie 2018) .
- ^ Nanotehnologie în cancer , la nano.cancer.gov . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 20 octombrie 2011) .
- ^ Tehnologie de combatere a cancerului , pe physorg.com . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 13 martie 2012) .
- ^ Livrarea de medicamente
- ^ Tehnologie de proiectare medicală [ link rupt ]
- ^ Neurochirurgie , la neurosurgery-online.com . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 13 martie 2020) .
- ^ Mic robot util pentru operație , la fr.jpost.com . Adus la 6 aprilie 2019 (arhivat din original la 29 noiembrie 2014) .
- ^ Direcționarea către medicamente , pe nano-biology.net . Accesat la 2 aprilie 2009 (arhivat din original la 28 decembrie 2017) .
- ^ nanorobot în Tratamentul diabetului , pe azonano.com . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 1 martie 2010) .
- ^ Nanorobotics pentru diabet , la nanovip.com . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 16 decembrie 2017) .
- ^ Wellness Engineering, nanorobot, Diabet ( XML ), la spie.org . Accesat la 2 aprilie 2009 ( arhivat la 11 septembrie 2015) .
- ^ Couvreur, P. & Vauthier, C., Nanotehnologie: Proiectare inteligentă pentru tratarea bolilor complexe , în cercetarea farmaceutică , vol. 23, n. 7, 2006, pp. 1417–1450, DOI : 10.1007 / s11095-006-0284-8 .
- ^ Fisher, B., Biological Research in the Evolution of Cancer Surgery: A Personal Perspective , in Cancer Research , vol. 68, nr. 24, 2008, pp. 10007-10020, DOI : 10.1158 / 0008-5472.CAN-08-0186 .
- ^ Cavalcanti, A., Shirinzadeh, B., Zhang, M. & Kretly, LC, Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense , în Sensors , vol. 8, nr. 5, 2008, pp. 2932–2958, DOI : 10.3390 / s8052932 .
- ^ Hill, C., Amodeo, A., Joseph, JV & Patel, HRH, Nano- și microrobotică: cât de departe este realitatea? , în Expert Review of Anticancer Therapy , vol. 8, nr. 12, 2008, pp. 1891–1897, DOI : 10.1586 / 14737 140.8.12.1891 .
- ^ Elder, JB, Hoh, DJ, Oh, BC, Heller, AC, Liu, CY & Apuzzo, ML,Viitorul chirurgiei cerebrale: un caleidoscop de oportunități , în Neurochirurgie , vol. 62, nr. 6, 2008, pp. 1555–1579, DOI : 10.1227 / 01.neu.0000333820.33143.0d .
