Человек и микромир — слабо совместимые вещи. Для интеллекта естественного происхождения возможен единственный вид носителя — сравнительно крупный макроорганизм, обладающий сложным мозгом из триллионов нервных клеток. Такому существу для выживания не нужно знать, что происходит на пару этажей ниже — в микромире, среди суетливо копошащихся инфузорий и бактерий. Но чего только не может добиться любопытство, помноженное на стремление жить еще дольше и лучше, да еще и сдобренное возможностями современных технологий!
До недавнего времени природа обладала абсолютной монополией на создание систем микро- и нанометрового масштаба. Но мы полны решимости оспорить ее безусловное лидерство в этой весовой категории. Роботы, сравнимые по своим размерам с бактериями или, на худой конец, с клетками крови и способные самостоятельно передвигаться внутри человеческого тела, произвели бы настоящую революцию в медицине. Такое устройство могло бы легко добраться до самых труднодоступных участков тела человека без травматичных разрезов, неизбежных в классической хирургии. Еще большие перспективы открываются в направленной доставке лекарств: например, токсичные химиотерапевтические препараты можно было бы доносить непосредственно до опухоли, даже если она расположена в самом неудобном месте.
Вот только на пути создания таких систем стоит куча препятствий. Стоит начать с того, что внутри нашего плотно скомпонованного организма практически нет свободного места для передвижения. Кости, мышцы, да и все остальные твердые ткани тела становятся непреодолимым препятствием для микромашин. Единственную возможность для направленного движения дают полости, заполненные биологическими жидкостями, — сосуды кровеносной и лимфатической систем, желудочно-кишечный тракт, спинномозговой канал и желудочки головного мозга, межклеточные промежутки в тканях.
Но и само по себе передвижение микромашин в биологических жидкостях — очень непростая задача. Объекты микрометровых размеров обладают очень малой массой, а значит, и инерцией. Это выводит на первый план взаимодействие его поверхности с молекулами окружающей жидкости (строго говоря, тут работает вездесущее правило соотношения объёма и площади поверхности). При движении вперед ему приходится буквально протискиваться через молекулы окружающей жидкости, противостоя силе вязкого трения. А вязкость большинства биологических жидкостей довольно велика — например, для крови эта величина в 3—6 раз больше, чем для воды. Кроме того, на микрометровых масштабах намного более значительную, но, к счастью, не главную роль начинает играть броуновское движение. Случайные и абсолютно непредсказуемые удары молекул с разных сторон начинают влиять на движение нашей микроподлодки, хотя опыты и показывают, что доминирующей силой броуновское движение становится в еще меньших масштабах — для нанобъектов размером от 600 нанометров и меньше.
То есть для того, чтобы наш микроробот плыл туда, куда нам нужно, необходимо постоянно прикладывать к нему силу и задавать направление движения. Как же это сделать? Двигатель должен обладать достаточным запасом топлива, которое вряд ли удастся поместить внутрь миниатюрной машины. За годы исследований было предложено множество остроумнейших конструкций, призванных решить эту проблему. Это и микроботы, толкаемые вперед звуковым давлением, которое создается ультразвуковыми волнами, и даже настоящие микроракеты из платинового катализатора, разлагающие перекись водорода и мчащиеся вперед на шлейфе из пузырьков кислорода. Большинству этих технологий очень далеко до практического применения, и часто основную роль в этом играет чересчур высокая стоимость аппаратов. Но что если при изготовлении наших микророботов использовать природных микробов? Раз уж мы не можем превзойти эволюцию, может, стоит сразу взять готовое, слегка подправив под свои нужды?
За последние двадцать лет было опубликовано множество статей по спермоботам — конструкциям на основе живых сперматозоидов. Схема классического спермобота проста и не лишена определенного изящества: ученые берут сперматозоиды какого-нибудь млекопитающего и запихивают их «головой» в ферромагнитную трубку. Облаченные в железный колпак сперматозоиды бодро плывут вперед, а исследователи задают направление их заплыва, воздействуя магнитным полем на ферромагнитные трубки. Любопытно, что после такого издевательства скорость и продолжительность жизни сперматозоидов не слишком уменьшаются. Так что метод можно применять для увеличения вероятности оплодотворения, помогая сперматозоидам достичь своей цели.
Вообще, переменное магнитное поле кажется превосходным источником энергии для микророботов. Оно с легкостью проникает через биологические ткани на достаточную глубину, одновременно очень слабо с ними взаимодействуя. Нужно только правильно подобрать материалы, и тогда, меняя вектор индукции магнитного поля, мы сможем изменять положение магнитных частей нашего бота.
В осуществлении этой идеи снова не обошлось без сперматозоидов. Так, в работе 2015 года исследователи из Дрездена применили эту технологию для восстановления подвижности сперматозоидов. В эксперименте были отобраны здоровые, но по каким-то причинам неподвижные сперматозоиды, неспособные к главному в своей жизни заплыву. На среднюю часть таких сперматозоидов-инвалидов была надета полимерная спираль с никелевым, ферромагнитным покрытием. Во вращающемся магнитном поле такая спираль вращается вслед за ним на манер гребного винта, отбрасывая поток жидкости назад и толкая сперматозоид вперед.
Задавая направление поля, можно управлять и положением самого сперматозоида. В итоге исследователям удалось привести неподвижные сперматозоиды к их яйцеклеткам и оплодотворение все-таки произошло. Это потрясающая технология может применяться для зачатия при сниженной подвижности сперматозоидов — астенозооспермии, одной из частых причин мужского бесплодия.
Но живой сперматозоид — очень капризная и не долгоживущая клетка, да и процесс изготовления деталей для его «апгрейда» непрост и совсем не дешев. Вот если бы сразу найти какие-нибудь клетки спиральной формы! Да еще и с прочной клеточный стенкой, которую можно покрывать магнитным составом, не беспокоясь о ее жизнеспособности.
Для этого могли бы подойти клетки бактерий или некоторых водорослей, подумали исследователи из университета Гонконга, и взяли за базу для своих биогибридных микророботов клетки прокариотической водоросли спирулины Spirulina (Arthrospira) platensis.
К слову, именно из этих сине-зеленых бактерий делают одноименный порошок грязно-болотного цвета и трудновыносимого запаха, столь любимый энтузиастами здорового питания. Как можно догадаться по их названию, покрытые толстой оболочкой клетки спирулины сцеплены друг с другом в длинные спирали. Исследователи обработали эти спирали ультразвуком высокой интенсивности, разломав на фрагменты длиной примерно в три оборота.
А затем микроспирали отправились в стакан с суспензией наночастиц Fe3O4 , покрывших их сверху сплошным слоем. В итоге ученые почти что бесплатно получили несколько миллионов микроспиралек с магнитной (если быть точным — суперпарамагнитной) поверхностью.
Заплывы получившихся биогибридных микророботов проходили во вращающемся магнитном поле, генерируемом трехосевой системой колец Гельмгольца. Вращаясь вместе с полем, микроспирали буквально ввинчиваются в жидкую среду, работая на манер архимедова винта и создавая поступательное усилие для самих себя. Эти вращающиеся маленькие штопоры послушно следуют линиям магнитного поля, создаваемого трехосевыми катушками, что позволяет легко направлять их движение.
Вот только на пути создания таких систем стоит куча препятствий. Стоит начать с того, что внутри нашего плотно скомпонованного организма практически нет свободного места для передвижения. Кости, мышцы, да и все остальные твердые ткани тела становятся непреодолимым препятствием для микромашин. Единственную возможность для направленного движения дают полости, заполненные биологическими жидкостями, — сосуды кровеносной и лимфатической систем, желудочно-кишечный тракт, спинномозговой канал и желудочки головного мозга, межклеточные промежутки в тканях.
Но и само по себе передвижение микромашин в биологических жидкостях — очень непростая задача. Объекты микрометровых размеров обладают очень малой массой, а значит, и инерцией. Это выводит на первый план взаимодействие его поверхности с молекулами окружающей жидкости (строго говоря, тут работает вездесущее правило соотношения объёма и площади поверхности). При движении вперед ему приходится буквально протискиваться через молекулы окружающей жидкости, противостоя силе вязкого трения. А вязкость большинства биологических жидкостей довольно велика — например, для крови эта величина в 3—6 раз больше, чем для воды. Кроме того, на микрометровых масштабах намного более значительную, но, к счастью, не главную роль начинает играть броуновское движение. Случайные и абсолютно непредсказуемые удары молекул с разных сторон начинают влиять на движение нашей микроподлодки, хотя опыты и показывают, что доминирующей силой броуновское движение становится в еще меньших масштабах — для нанобъектов размером от 600 нанометров и меньше.
То есть для того, чтобы наш микроробот плыл туда, куда нам нужно, необходимо постоянно прикладывать к нему силу и задавать направление движения. Как же это сделать? Двигатель должен обладать достаточным запасом топлива, которое вряд ли удастся поместить внутрь миниатюрной машины. За годы исследований было предложено множество остроумнейших конструкций, призванных решить эту проблему. Это и микроботы, толкаемые вперед звуковым давлением, которое создается ультразвуковыми волнами, и даже настоящие микроракеты из платинового катализатора, разлагающие перекись водорода и мчащиеся вперед на шлейфе из пузырьков кислорода. Большинству этих технологий очень далеко до практического применения, и часто основную роль в этом играет чересчур высокая стоимость аппаратов. Но что если при изготовлении наших микророботов использовать природных микробов? Раз уж мы не можем превзойти эволюцию, может, стоит сразу взять готовое, слегка подправив под свои нужды?
За последние двадцать лет было опубликовано множество статей по спермоботам — конструкциям на основе живых сперматозоидов. Схема классического спермобота проста и не лишена определенного изящества: ученые берут сперматозоиды какого-нибудь млекопитающего и запихивают их «головой» в ферромагнитную трубку. Облаченные в железный колпак сперматозоиды бодро плывут вперед, а исследователи задают направление их заплыва, воздействуя магнитным полем на ферромагнитные трубки. Любопытно, что после такого издевательства скорость и продолжительность жизни сперматозоидов не слишком уменьшаются. Так что метод можно применять для увеличения вероятности оплодотворения, помогая сперматозоидам достичь своей цели.
Вообще, переменное магнитное поле кажется превосходным источником энергии для микророботов. Оно с легкостью проникает через биологические ткани на достаточную глубину, одновременно очень слабо с ними взаимодействуя. Нужно только правильно подобрать материалы, и тогда, меняя вектор индукции магнитного поля, мы сможем изменять положение магнитных частей нашего бота.
В осуществлении этой идеи снова не обошлось без сперматозоидов. Так, в работе 2015 года исследователи из Дрездена применили эту технологию для восстановления подвижности сперматозоидов. В эксперименте были отобраны здоровые, но по каким-то причинам неподвижные сперматозоиды, неспособные к главному в своей жизни заплыву. На среднюю часть таких сперматозоидов-инвалидов была надета полимерная спираль с никелевым, ферромагнитным покрытием. Во вращающемся магнитном поле такая спираль вращается вслед за ним на манер гребного винта, отбрасывая поток жидкости назад и толкая сперматозоид вперед.
Задавая направление поля, можно управлять и положением самого сперматозоида. В итоге исследователям удалось привести неподвижные сперматозоиды к их яйцеклеткам и оплодотворение все-таки произошло. Это потрясающая технология может применяться для зачатия при сниженной подвижности сперматозоидов — астенозооспермии, одной из частых причин мужского бесплодия.
Но живой сперматозоид — очень капризная и не долгоживущая клетка, да и процесс изготовления деталей для его «апгрейда» непрост и совсем не дешев. Вот если бы сразу найти какие-нибудь клетки спиральной формы! Да еще и с прочной клеточный стенкой, которую можно покрывать магнитным составом, не беспокоясь о ее жизнеспособности.
Для этого могли бы подойти клетки бактерий или некоторых водорослей, подумали исследователи из университета Гонконга, и взяли за базу для своих биогибридных микророботов клетки прокариотической водоросли спирулины Spirulina (Arthrospira) platensis.
К слову, именно из этих сине-зеленых бактерий делают одноименный порошок грязно-болотного цвета и трудновыносимого запаха, столь любимый энтузиастами здорового питания. Как можно догадаться по их названию, покрытые толстой оболочкой клетки спирулины сцеплены друг с другом в длинные спирали. Исследователи обработали эти спирали ультразвуком высокой интенсивности, разломав на фрагменты длиной примерно в три оборота.
А затем микроспирали отправились в стакан с суспензией наночастиц Fe3O4 , покрывших их сверху сплошным слоем. В итоге ученые почти что бесплатно получили несколько миллионов микроспиралек с магнитной (если быть точным — суперпарамагнитной) поверхностью.
Заплывы получившихся биогибридных микророботов проходили во вращающемся магнитном поле, генерируемом трехосевой системой колец Гельмгольца. Вращаясь вместе с полем, микроспирали буквально ввинчиваются в жидкую среду, работая на манер архимедова винта и создавая поступательное усилие для самих себя. Эти вращающиеся маленькие штопоры послушно следуют линиям магнитного поля, создаваемого трехосевыми катушками, что позволяет легко направлять их движение.
Справедливости ради, нужно сказать, что спирулина была не единственным объектом инженерных изысканий в этом исследовании. В аналогичную магнетитовую оболочку исследователи попытались упаковать еще клетки хламидомонады Chlamydomonas reinhardtii и тетраселмиса Tetraselmis subcordiformis, хорошо известного аквариумистам в виде корма для мальков. Но спирулиновые «микроподлодки» на всех дистанциях оставили конкурентов далеко позади.
Интересно, что движения роя таких биогибридных спиралек внутри тела пациента оказалось возможным отслеживать с помощью МРТ-томографа, что было проверено на крысе, по желудку которой ученые лихо гоняли стайку микроботов. Дополнительными аргументами в пользу медицинского применения технологии можно считать полную биоразлагаемость и нетоксичность для организма как самой спирулины, так и ее оксидной оболочки.
Технология кажется очень перспективной и может использоваться, например, для адресной доставки токсичных химиотерапевтических препаратов прямо к опухоли. Наиболее удобным будет освободить для этих целей внутреннее пространство спиралей, занятое содержимым клеток бактерии. Но это уже будет совсем другое исследование.
Стоит сказать, что размеры гонконгских микророботов для свободного путешествия по кровеносной системе все еще великоваты. Они примерно 10 микрометров в диаметре, притом что диаметр большинства капилляров нашего тела находится в диапазоне от 5 до 10 микрометров. Даже красные кровяные тельца, эритроциты, протискиваясь через капилляры, проявляют чудеса гибкости, изгибаясь и скользя по стенкам, что явно нереально для жестких магнетитово-полисахаридных микропловцов. Так что при всей красоте технологии большая часть человеческого тела все еще остается вне зоны ее охвата. Несмотря на то что эволюция не оставила нам ни органов чувств, способных воспринимать микромир, ни биологических инструментов, позволяющих оперировать его объектами, человечество, опираясь на свой инженерный талант, начинает покорять и эту область мироздания. Ученые обращаются за вдохновением к природе, создавая химер, совмещающих тонкость и дешевизну биологических объектов с предсказуемой управляемостью механики. Пока что эти микроскопические биомашины больше похожи на неуклюжие попытки семилетнего ребенка впрячь любимого хомячка в повозку, собранную из кубиков «лего». Но большое часто начинается с малого и смешного, и очень может быть, что именно биогибридным микромашинам предстоит определить лицо медицины через несколько десятилетий.
Дмитрий Лебедев
Интересно, что движения роя таких биогибридных спиралек внутри тела пациента оказалось возможным отслеживать с помощью МРТ-томографа, что было проверено на крысе, по желудку которой ученые лихо гоняли стайку микроботов. Дополнительными аргументами в пользу медицинского применения технологии можно считать полную биоразлагаемость и нетоксичность для организма как самой спирулины, так и ее оксидной оболочки.
Технология кажется очень перспективной и может использоваться, например, для адресной доставки токсичных химиотерапевтических препаратов прямо к опухоли. Наиболее удобным будет освободить для этих целей внутреннее пространство спиралей, занятое содержимым клеток бактерии. Но это уже будет совсем другое исследование.
Стоит сказать, что размеры гонконгских микророботов для свободного путешествия по кровеносной системе все еще великоваты. Они примерно 10 микрометров в диаметре, притом что диаметр большинства капилляров нашего тела находится в диапазоне от 5 до 10 микрометров. Даже красные кровяные тельца, эритроциты, протискиваясь через капилляры, проявляют чудеса гибкости, изгибаясь и скользя по стенкам, что явно нереально для жестких магнетитово-полисахаридных микропловцов. Так что при всей красоте технологии большая часть человеческого тела все еще остается вне зоны ее охвата. Несмотря на то что эволюция не оставила нам ни органов чувств, способных воспринимать микромир, ни биологических инструментов, позволяющих оперировать его объектами, человечество, опираясь на свой инженерный талант, начинает покорять и эту область мироздания. Ученые обращаются за вдохновением к природе, создавая химер, совмещающих тонкость и дешевизну биологических объектов с предсказуемой управляемостью механики. Пока что эти микроскопические биомашины больше похожи на неуклюжие попытки семилетнего ребенка впрячь любимого хомячка в повозку, собранную из кубиков «лего». Но большое часто начинается с малого и смешного, и очень может быть, что именно биогибридным микромашинам предстоит определить лицо медицины через несколько десятилетий.
Дмитрий Лебедев