Magnetiske gelkapsler kan fremme både robotik og medicin

Magnetiske polymerer

Prof. Abdon Pena-Francesch, leder af BioInspired Materials Lab ved University of Michigan, og hans team har udviklet en gel med magnetiske egenskaber – på trods af at den udelukkende består af kulstofbaserede molekyler. Denne magnetiske gel, kaldet ‘TEMPO-magneter’, gør den i stand til at blive tiltrukket af andre magnetiske materialer og reagere på magnetfelter. Dette kan muliggøre fjernstyring af gelen. For eksempel kunne en kapsel i maven blive styret til at udføre operation eller levere medicin.

Kilde: University of Michigan

De magnetiske egenskaber ved denne TEMPO-baserede gel er svagere end metalbaserede magneter, men dette kan være en styrke for biomedicinske anvendelser og visse bløde robotter. For eksempel kan MR-scanning bruges i kombination med denne teknologi, hvor en stærkere magnet ville gøre MR-blinden. Så i dette tilfælde kan MR bruges til at overvåge effekterne af en medicinsk kapsel, om et lægemiddel blev leveret korrekt og hvor, eller bevægelserne af en magnetisk gelkapsel i fordøjelseskanalen.

De næste skridt

Det næste skridt i dette specifikke projekt vil være at gøre denne type gel biologisk nedbrydelig, så den tolereres bedre af den menneskelige krop, samt muligheden for at bruge den i naturen uden bekymring for forurening og forurening.

Udover magnetiske geler,  3D-printning/additiv fremstilling bør også give et løft til bløde robotter. Langsomhærdende, elastisk-plastisk giver gode muligheder for proteser, der går ud over de eksisterende muligheder. Vi diskuterer denne voksende forbindelse mellem de nye felter inden for blød robotik og 3D-printning i vores artikel “Hands Like a Human: New Additive Manufacturing Helps Soft Robotics Go Real”.

Vi har også set på 3D-printningsindustrien som helhed i artiklen “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”.

Flytte sig væk fra hård robotik

Som det står, er robotter diskret blevet en vigtig del af vores liv. Men dette har primært været begrænset til de tunge, industrielle robotarmdesigns. For nylig begynder droner og mindre leverings‑ eller logistiske robotter at overtage endnu flere opgaver og vokse i betydning i krigsførelse. Disse designs er dog stadig afhængige af hydraulik og tunge, metalbaserede systemer.

Kilde: Unsplash

For stive materialer begrænser anvendelserne for robotter, f.eks. begrænset bevægelsesområde eller vanskeligheder med at håndtere skrøbelige genstande. Den mekaniske og metalliske natur af robotik har også været en stor begrænsning i dens implementering i medicin, såsom proteser eller interne nanorobotter.

Bløde robotter

Der har været en stærk indsats for at udvikle en såkaldt “blød robot”, ved brug af plast, polymerer, metaltråde eller andre mere fleksible komponenter. Blødere designs bør muliggøre nye koncepter, mere inspireret af naturen, når man bygger en robot, som vi diskuterede i vores artikel “How Robotics Can Take a Cue From Nature”.

Men disse systemer lider stadig under nogle begrænsninger:

• De skal være tilsluttet en strømkilde.
• De er ofte begrænset til nogle få forudbestemte former eller bevægelser.
• De er ret tunge.

Kilde: Youtube

En idé til at fjerne disse begrænsninger er at bruge magneter i stedet for stive metaldele. Dette fjerner behovet for en ekstern strømkilde og giver mere fleksibilitet og diversitet i mulige former og bevægelser.

Men metalmagneter er stadig tunge. De er også, for det meste, giftige i en vis grad, hvilket gør deres anvendelighed i medicinske anvendelser meget begrænset. Og det er en skam, da robotinteraktion med blødt & skrøbeligt væv for medicinske behov er en af de mest lovende anvendelser af blød robotik.

Der er dog ingen fysiske love, der siger, at magneter nødvendigvis skal være lavet af metal. Magnetiske egenskaber er det eneste krav. Og andre materialer kan opfylde betingelserne – ligesom TEMPO-magneter.

Bløde eller magnetiske robotaktier

1. Stereotaxis

Stereotaxis er en leder inden for medicinsk telerobotik. Deres Genesis RMN (Robotic Magnetic Navigation) system bruger magnetfelter til at guide katetre i en patients krop. Dette anvendes især i hjertekirurgi og andre endovaskulære behandlinger.

Det er den eneste tilgængelige robot i denne sektor, som adskiller sig fra laparoskopisk kirurgi, domineret af Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG) og åbne kirurgirobotter fra Stryker (SYK – Mako robot) og Medtronic (MDT – Mazor robotics). Vi diskuterede disse 2 virksomheder og andre i vores artikel “Top 5 Robotic Surgery Stocks”.

Denne metode fjerner behovet for stive katetre, der er afhængige af manuel kontrol og operatørkraft, hvilket fører til højere risiko for bivirkninger for patienterne.

Derudover kræver den traditionelle metode for kateterimplementering røntgen, hvilket medfører strålingseksponering, især for det medicinske personale, der regelmæssigt udfører proceduren. Det er et velkendt fænomen, at dette kan forårsage kræft hos læger og sygeplejersker, der udfører disse operationer.

Kilde: Stereoaxis

Den manuelle procedure kræver også mange færdigheder, hvilket medfører dyr træning, og vil have varierende succesrater afhængigt af operatøren og hans erfaring.

I modsætning til de klassiske metoder giver Stereotaxis’ løsning 72 % færre komplikationer og 36 % mindre strålingseksponering.

Virksomheden har allerede implementeret sit system på over 100 hospitaler og behandlet over 100.000 patienter.

Da Stereotaxis allerede bruger fjernmagnetisk navigation til operationer, vil det give mening, at virksomheden vil være i en førende position til at omfavne fremkomsten af organisk magnetisk robotik. Og se deres RMN‑robotter blive grundlaget for udrulning i hospitaler af den magnetiske organiske gel‑teknologi.

2. 3D Systems Corporation

Denne leder inden for 3D‑printningsindustrien gik også ind i bioprintning i 2017 med et forskningssamarbejde med United Therapeutics (UTHR ) (UTHR). Den erhvervede også bio‑ink‑producenten Allevia i 2021. Og den annoncerede et samarbejde med CollPlant Biotechnologies (CLGN) i 2020 (CLGN ).

Dette opkøb giver 3D Systems (DDD ) et forspring inden for udskrivning af biologiske materialer. De kommercialiserer i øjeblikket 3 modeller af deres Allevi bioprinter.

Kilde: 3D Systems

Som en voksende producent af 3D‑printede medicinske enheder og proteser OG en leder inden for bioprintning, kan vi forestille os, at virksomheden kunne være interesseret i at finde nye anvendelser for fjernstyret organisk magnetisk gel.

Så hvis blød robotik med magnetisk gel bliver en voksende medicinsk anvendelse, kan vi forvente, at 3D Systems vil være en del af denne medicinske revolution og hjælpe med at 3D‑print de relevante værktøjer til disse nye terapier.

(Vi udforskede bioprintningens område i dybden i vores artikel “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks”).

3. Desktop Metal, Inc.

Desktop Metal er en anden stor leder inden for 3D‑printning, med over 650 patenter, mere end 250 mulige materialer og 6.000 kunder. Et af deres nøgleområder har været metal‑3D‑printning, et mål, der længe har været eftertragtet af 3D‑printningsindustrien.

De er også aktive inden for sundhedssektoren, startende med erhvervelsen af den tyske EnvisionTEC, som inkluderer tandplejeteknologi. Dette sker i takt med et strategisk partnerskab med den førende ortodontiske virksomhed Align Technology. (ALGN )

Sammenslutningen med EnvisionTEC hjalp også Desktop Metal med at udvikle deres Desktop Health 3D‑printer. Det er mere en scaffold‑printer end en fuld‑celle/organ‑3D‑printer. Alligevel, hvis bioprintning viser sig at kræve hydrogel eller andre polymerer som en permanent scaffold, vil dette være en stærk teknologisk fordel for Desktop Health.

Kilde: Desktop Metal

Selvom fokus på bioprintning og sundhed er mindre stærkt end hos 3D Systems, er det ikke umuligt, at Desktop Metal også kunne være interesseret i potentialet ved at kombinere 3D‑printning og organiske magnetiske geler.

4. Soft Robotics

Dette firma er privat noteret og fokuseret på at udvikle mGripAI, en robot med et blødt greb til fødevareforarbejdningsindustrien, kombineret med et fuldt 3D‑vision‑ og AI‑system.

Kilde: Soft Robotics

Du kan også se den i aktion i denne video. Selvom den sandsynligvis ikke vil komme ind i det medicinske segment, kunne virksomheden måske en dag blive interesseret i en ikke‑giftig version af magnetisk blød robotik til udrulning i fødevareindustrien. Dette er især sandt, hvis den organiske magnetiske gel kan forbedres til at blive biologisk nedbrydelig.