Медицинские устройства используют советы по дизайну из животного мира

Животный мир извлек выгоду из миллионов лет биологической эволюции, адаптировав процессы и характеристики для удовлетворения конкретных потребностей. Используя подход, известный как биоинспирация, ученые и инженеры используют знания биологии для решения современных технологических задач и оптимизации проектирования новых материалов, устройств и структур.

Например, в области медицины исследователи разработали систему хирургической визуализации, основанную на удивительных глазах креветки-богомола, создали космическое одеяло, которое позволяет пользователям контролировать свою температуру, имитируя адаптивные свойства кожи кальмара, и изготовили прибор для измерения внутриглазного давления. датчик на основе наноструктур с оптическими свойствами, впервые обнаруженными в крыльях бабочки.

На этой неделе были опубликованы два новых исследования, использующих знания биологии на благо здоровья человека.

Прежде всего, панголин – единственное млекопитающее, полностью покрытое твердой чешуей. Эти чешуйки соединяются с подлежащей кожей, а не друг с другом, и перекрываются в стиле сосновой шишки, что позволяет ящеру сворачиваться в клубок при угрозе. И именно эти весы вдохновили Метина Ситти из Института интеллектуальных систем Макса Планка и его сотрудников на разработку миниатюрного мягкого медицинского робота.

Непривязанные магнитные мягкие роботы предлагают возможность выполнять минимально инвазивные медицинские процедуры внутри тела. Когда-нибудь таких роботов можно будет направлять с помощью магнитных полей в труднодоступные регионы, где они смогут доставлять лекарства или создавать тепло. Локализованное нагревание можно использовать для остановки кровотечения, разрезания тканей или даже абляции опухолей. Однако дистанционное производство тепла требует использования жестких металлических материалов, что может поставить под угрозу соответствие требованиям и безопасность мягких роботов.

«Чтобы найти компромисс между эффективным дистанционным нагревом на больших расстояниях и податливостью, мы наблюдали, как ящеры в природе все еще могут достигать гибкого и беспрепятственного движения, несмотря на то, что у них есть кератиновые чешуйки, которые на несколько порядков тверже и жестче, чем нижележащие слои тканей, просто путем организации чешуек кератина в перекрывающуюся структуру», — пишут исследователи в журнале Nature Communications.

Имея это в виду, Ситти и его коллеги спроектировали и построили робота размером 20 x 10 x 0,2 мм, состоящего из слоя мягкого полимера и слоя перекрывающихся металлических элементов, напоминающего панголина. Подвергнув робота низкочастотному магнитному полю, исследователи смогли заставить его сворачиваться и двигаться. При воздействии высокочастотного магнитного поля робот обеспечивал требуемый нагрев (более 70°С) на больших расстояниях (более 5 см) менее чем за 30 с.

В экспериментах по проверке концепции на тканевых фантомах команда показала, что вращающееся магнитное поле силой 65 мТл может приводить в действие и перемещать отвязанного робота, а нагревательные весы могут выборочно освобождать груз, закрепленный на роботе пчелиным воском.

Для дальнейшей оценки клинического потенциала робота исследователи смоделировали кровотечение внутри желудка свиньи ex vivo и продемонстрировали, что робот может перемещаться к месту кровотечения и использовать тепло, чтобы остановить кровотечение. Они также поместили опухолевые сфероиды в прямой контакт с нагревательными чешуйками, которые разрушили сфероиды всего за 5 минут нагрева при 60 °C.

«Многие вопросы и технические проблемы все еще остаются, хотя и преодолимы, но требуют больше времени и усилий. К ним относятся клиническая полезность и практичность использования этих роботов в клинических сценариях, проблемы биосовместимости, контроля и отслеживания», — говорит первый автор Рен Хао Сун. «В моем следующем проекте я хочу продолжить подталкивать этих непривязанных роботов ближе к постели. Я надеюсь тесно сотрудничать с врачами, чтобы определить реальную медицинскую потребность, для которой такие роботы могут быть полезны».

Синекольчатый осьминог — крошечный, яркий окрас и одно из самых ядовитых морских животных в мире. Его укус прокалывает панцирь добычи, а затем выделяет тетродотоксин, парализующий нейротоксин. «Хищное поведение синекольчатого осьминога вдохновило нас на разработку стратегии по улучшению местного лечения», — пишет исследовательская группа, возглавляемая Сычуаньским университетом и Чжэцзянским университетом в Китае.