Gerichte geneesmiddelafgifte komt dichterbij met de nieuwste bubbel‑bots

Robotica wordt elk jaar steeds populairder naarmate de vraag naar efficiënte en kosteneffectieve oplossingen toeneemt. 

Met robottechnologie die gemak en verbeterde veiligheid biedt, en de integratie van kunstmatige intelligentie en machine learning, waardoor geavanceerdere robotmogelijkheden ontstaan, is het geen verrassing dat de wereldwijde robotica‑markt naar verwachting de $200 miljard tegen het einde van dit decennium zal overschrijden. 

Een ander bewijs van de groeiende inzet van robotica is de wereldwijde installatie van industriële robots, die in 2023 541.302 bereikte, de op één na hoogste jaarlijkse installatie in de geschiedenis. Het record werd gemaakt het jaar daarvoor toen 552.946 eenheden werden geïnstalleerd.

Daardoor is het totale aantal operationele robots nu gestegen naar een nieuw hoogtepunt van ongeveer 4,3 miljoen eenheden wereldwijd, waarbij Azië met 70 % de groei leidt, gevolgd door Europa met 17 % en vervolgens Amerika met 10 %. Wat robotproductie betreft, loopt Japan voorop met een marktaandeel van 46 %. 

Volgens de International Federation of Robotics (IFR) zal de groei van robotica in 2025 versnellen en dit tempo in de komende jaren handhaven.

Nu, wat de sectoren betreft die de enorme expansie van robotica aandrijven, staat de auto‑industrie voorop, gevolgd door elektronica, metaal en machines, afvalbeheer, landbouw, detailhandel, bouw en de voedingssector als andere sectoren die robots gebruiken.

Robots in de gezondheidszorg

Hoewel robots worden gebruikt in verschillende sectoren, is er één sector waar ze een veel grotere en positievere impact hebben, en dat is de geneeskunde. De wereldwijde markt voor medische robotsystemen groeit snel, en naar schatting zal de omvang toenemen van $16 miljard in 2024 tot $33,8 miljard in 2029.

Robots worden gebruikt in alle gebieden van de gezondheidszorg, van het leveren van medicatie en het assisteren bij revalidatie tot het helpen bij diagnostiek, chirurgie en geneesmiddelafgifte.

Zo worden robotarmen gebruikt voor het mengen, doseren, tellen en inspecteren, terwijl geprogrammeerde bevoorradingsrobots worden ingezet om items naar specifieke locaties te leveren.

Deze autonome mobiele robots vereenvoudigen routinetaken voor zorgprofessionals door de fysieke belasting voor menselijk personeel te verminderen en personeelstekorten aan te pakken. Ze houden bovendien de voorraad bij en zorgen ervoor dat alle benodigdheden altijd op voorraad zijn wanneer nodig, naast het desinfecteren van kamers en het gereedmaken voor patiënten.

Door al deze routinetaken over te nemen, stellen autonome mobiele robots het medisch personeel in staat zich te concentreren op patiënten en hun specifieke behoeften die de technologie niet kan vervullen. De robot genaamd Tug van Aethon is een voorbeeld hiervan; hij kan zich door moeilijke omstandigheden bewegen om veilige leveringen te doen op de juiste plaats en tijd.

Deze robots dragen ook bij aan een veilige werkomgeving door taken zoals schoonmaken, desinfectie en het transporteren van benodigdheden naar ziekenhuizen en gebieden met een risico op pathogeenblootstelling uit te voeren.

Volgens de CDC heeft ongeveer een op de 31 ziekenhuispatiënten ten minste één zorggerelateerde infectie op een bepaalde dag. Dit komt door het onvermogen van ziekenhuizen om kamers volledig te desinfecteren. Om dergelijke problemen aan te pakken, worden geautomatiseerde robots zoals de door de FDA goedgekeurde Xenex ontwikkeld die pulserende UV‑stralen gebruiken om ziekenhuiskamers binnen enkele minuten te steriliseren. 

Technologische innovatie heeft ook geleid tot geavanceerde chirurgische assistent‑robots die chirurgen helpen grotere snelheid en meer nauwkeurigheid te bereiken bij het uitvoeren van complexe operaties. 

Een multi‑arm wonderbot genaamd da Vinci Surgical System is zo’n robot die chirurgie minder invasief maakt, chirurgische fouten vermindert en verbeterde controle biedt. De Cyberknife is een andere die kankers behandelt door radiotherapie met extreme precisie aan tumoren te leveren. 

Daarna zijn er farmaceutische robots, die veel aandacht krijgen vanwege de vergrijzende bevolking en mensen met chronische ziekten die voortdurende medicatie en precieze behandeling nodig hebben. Door kritieke processen die normaal handmatig en tijdrovend zijn te automatiseren, helpen farmaceutische robots de kwaliteit en precisie verder te verbeteren.

Robots voor geneesmiddelafgifte 

Gedreven door technologische vooruitgang en de groeiende behoefte aan automatisering in geneesmiddelontwikkeling en patiëntenzorg, maken robots de afgifte van geneesmiddelen efficiënter en nauwkeuriger, wat de zorg voor patiënten verbetert.

Bedrijven ontwikkelen micro‑ en nanorobots die zelfstandig bewegen om geneesmiddelen naar moeilijk bereikbare gebieden te leveren, aangedreven door chemische reacties of externe bronnen zoals licht, elektrische velden of magnetische velden. Door zich op ziekteplaatsen te richten, verbeteren deze robots de therapeutische werkzaamheid en verminderen ze bijwerkingen.

Een paar jaar geleden ontwikkelde een team onderzoekers ontwikkelde MANiACs, die kleine rollende robots zijn met magnetische nanorods ingesloten in een zachte bolvormige schaal. In 2022 bouwde een mechanisch ingenieur van Stanford multifunctionele draadloze robots voor hetzelfde. 

En slechts een paar maanden geleden ontwikkelden onderzoekers van NTU Singapore zachte robots ter grootte van een graankorrel voor gerichte geneesmiddelafgifte. De robot, die is gemaakt met magnetische micropartikels en wordt bestuurd met magnetische velden, kan tot vier verschillende geneesmiddelen transporteren en ze in programmeerbare doses en volgordes vrijgeven.

Dit onderzoek is gebaseerd op het eerdere werk van het team, dat magnetisch aangestuurde miniatuurrobots omvatte die kleine objecten kunnen grijpen en door krappe ruimtes kunnen zwemmen, naast andere complexe bewegingen.

Geïnspireerd door een sci‑fi film uit de jaren zestig, ‘Fantastic Voyage’, waarin een bemanning tot celformaat wordt verkleind om schade in het brein van een wetenschapper te repareren, brengt dit onderzoek verbeelding tot werkelijkheid.  

De zeer behendige robot bewoog zich in laboratoriumexperimenten met snelheden tussen 0,30 mm en 16,5 mm per seconde, leverde succesvol geneesmiddelen af in uitdagendere omgevingen, en vertoonde zelfs na acht uur constante beweging minimale lekken van geneesmiddelen.

Het NTU‑team onderzoekt nu hoe deze robots nog kleiner gemaakt kunnen worden, zodat ze uiteindelijk kunnen worden ingezet voor de behandeling van blaaskanker, hersentumoren en colorectale kanker.

Microbots: Kleine robots die precisiegeneeskunde revolutioneren

Microrobots maken gebruik van miniaturiseerde sensoren en actuatoren om handelingen uit te voeren waarvoor ze geprogrammeerd zijn. Hun micronformaat maakt ze geschikt voor omgevingen die traditioneel te ingewikkeld en moeilijk te bereiken waren. Deze mogelijkheid maakt deze robots onschatbaar voor minimaal invasieve chirurgie, ziekte‑diagnostiek, ontgifting en precisiegeneesmiddelafgifte.

Echter, ze kennen uitdagingen op het gebied van effectiviteit en lokalisatie door diep weefsel.

Een ander groot probleem is dat ze bewezen hebben te zijn more show dan substantie. In de afgelopen twee decennia zijn verschillende versies van micro‑ of nanorobots uitgebracht, maar tot nu toe, hun toepassingen in levende systemen zijn tot nu toe tamelijk beperkt. Dan is er het feit dat het verplaatsen van objecten met hoge nauwkeurigheid in complexe biofluïden zoals speeksel, urine en bloed ook behoorlijk complex is. 

Andere obstakels voor nanorobots omvatten realtime detectie binnen het lichaam en het bereiken van precieze afstandsbediening voor gerichte therapie.

Ook rijst bij het ontwerpen van deze microbots de vraag of ze bekabeld of draadloos moeten zijn. Voor een draadloze microrobot die effectief in het menselijk lichaam moet functioneren, moet hij een constante voortstuwing door biofluïden hebben, een sterke draagcapaciteit, hoge biocompatibiliteit om chirurgische verwijdering te vermijden, verbeterde beeldvorming voor realtime visualisatie en precieze targeting.

Hier tonen akoestisch aangestuurde robots aanzienlijk potentieel dankzij de voordelen van diepe weefselpenetratie, niet‑invasieve werking, snelle respons, robuuste voortstuwingskrachten en veiligheid.

Dus introduceerden onderzoekers van Caltech BAM — een op hydrogel gebaseerd, beeldgeleide, bioresorbeerbare akoestische microrobot die met hoge stabiliteit door het menselijk lichaam kan navigeren. BAM is geen metalen humanoïde of bio‑imiterende robot, het is een kleine bolvormige bubbel.

Volgens mede‑correspondent auteur van het artikel over bots, Wei Gao, professor medische techniek aan Caltech en onderzoeker bij het Heritage Medical Research Institute:

We hebben een enkel platform ontworpen dat al deze problemen kan aanpakken.

In hun onderzoek merkten de wetenschappers op dat bij tests de bots het team succesvol hielpen therapeutica af te leveren die de grootte van blaastumoren bij muizen verminderden. 

In plaats van een geneesmiddel in het lichaam te plaatsen en het overal te laten diffunderen, kunnen we nu onze microrobots direct naar een tumorlocatie leiden en het geneesmiddel op een gecontroleerde en efficiënte manier vrijgeven.

– Gao

Naarmate de BAM‑technologie vordert, verwacht de studie dat het apparaat een aanzienlijke impact zal hebben op de gezondheidszorgsector en de patiëntenzorg.

Het ontwerp & ontwikkeling van BAM

De nieuwe microrobot, die bolvormige microstructuren heeft, is gemaakt van een hydrogel genaamd poly(ethylene glycol) diacrylaat. Hydrogel begint in vloeibare of harsvorm, maar wanneer het netwerk van polymeren daarin wordt gekruist, wordt het vast.

Deze samenstelling en microstructuur stellen hydrogels in staat grote hoeveelheden vloeistof vast te houden, waardoor het team het probleem van biocompatibiliteit van robots kan overwinnen. Ondertussen maakt additive manufacturing‑fabricage het mogelijk dat de buitenste bol het therapeutische lading naar een doelwit in het lichaam kan vervoeren.

De microstructuren en het hydrogelrecept werden gemaakt met de hulp van Julia R. Greer, de mede‑correspondent auteur, en Ruben F. en Donna Mettler, professor in materiaalkunde, mechanica en medische techniek.

Hiervoor maakte haar groep gebruik van twee‑foton polymerisatie (TPP) lithografie. In deze 3D‑printtechniek wordt een laser gebruikt om complexe structuren te creëren. Hier worden ultrafast pulsen van infraroodlaserlicht gebruikt om selectief fotosensitieve polymeren te cross‑linken volgens een specifiek ontwerp. 

De TPP‑lithografie bouwt in feite een hoge‑resolutie structuur laag voor laag, waardoor het team complexe vormen en hoge precisie kan bereiken. De groep kon microstructuren printen (schrijven) van ongeveer 30 micron in diameter, wat overeenkomt met de dikte van een menselijk haar.

Over de bolvorm van de structuur zei Greer dat het “zeer ingewikkeld is om te schrijven” en kennis vereist van “bepaalde vaktechnieken om te voorkomen dat de bollen op zichzelf instorten”, dus het is een enorme prestatie dat het team ze kon creëren.

We waren in staat niet alleen de hars te synthetiseren die alle biofunctionaliserende en medisch noodzakelijke elementen bevat, maar we konden ze ook in een precieze bolvorm met de benodigde holte schrijven.

– Greer

Dit is de binnenstructuur van de bol, en wat de buitenstructuur betreft, zullen de microrobots magnetische nanodeeltjes en het therapeutische geneesmiddel daarin opnemen in hun uiteindelijke vorm.

De magnetische nanodeeltjes stellen de onderzoekers in staat de robots te besturen en ze naar een gewenste locatie te leiden met een extern magnetisch veld. Wanneer ze uiteindelijk het doel bereiken, blijven de robots op die locatie en verspreidt het geneesmiddel zich passief.

Wat de buitenkant van de microstructuur betreft, heeft het team deze verder ontworpen als hydrofil, wat betekent dat het water aantrekt. Hierdoor blijft voorkomen dat de individuele robots aan elkaar plakken tijdens hun reis door het lichaam. 

In tegenstelling tot het buitenoppervlak van de microrobot, is het binnenoppervlak niet hydrofil maar hydrofoob omdat het een luchtbel moet opvangen, die gemakkelijk oplost.

Om een hybride microrobot te bouwen waarvan de buitenkant water aantrekt terwijl het interieur water afstoot, ontwierp het team een chemische modificatie. 

Deze modificatie omvatte twee stappen; de eerste stap betrof het bevestigen van lange‑keten koolstofmoleculen aan de hydrogel, waardoor deze effectief hydrofoob werd. In de tweede stap gebruiken de wetenschappers de zuurstofplasma‑etsmethode om de koolstofstructuren van de buitenkant te verwijderen, waardoor de buitenkant hydrofil wordt.

Door hun chemische modificatie “een van de belangrijkste innovaties van dit project” te noemen, stelde Gao dat de asymmetrische oppervlaktemodificatie hen echt in staat stelde “veel robots te gebruiken en toch bellen vast te houden voor een langere periode in biofluïden, zoals urine of serum.”

Volgens de demonstratie van het team zorgde deze techniek ervoor dat bellen enkele dagen konden blijven bestaan in plaats van slechts enkele minuten.

Nu, waarom moeten we deze bellen in de eerste plaats vasthouden? Wel, het vasthouden van bellen is noodzakelijk om de robots te laten bewegen en om ze in realtime te kunnen volgen met beeldvorming. 

Om de microrobot vooruit te laten bewegen, hebben de onderzoekers de bol voorzien van twee cilindervormige openingen. Het team ontdekte dat twee openingen de robots in verschillende biofluïden hogere snelheden laten bereiken dan één opening.

Wanneer ze worden blootgesteld aan een ultrasone veld, trillen de bellen binnen de robot, waardoor de omringende vloeistof wegstroomt en de robot door de vloeistof wordt voortgestuwd. 

De bel, die wordt vastgehouden in elke microstructuur, fungeert als een uitstekend contrastmiddel voor ultrasone beeldvorming, waardoor real‑time monitoring van de bots in vivo mogelijk is. 

Het team testte vervolgens de microrobots als een geneesmiddelafgifte‑instrument bij muizen met blaastumoren. In 22 dagen werden vier therapeutische leveringen uitgevoerd met behulp van microrobots. Deze leveringen bleken succesvoller te zijn in het verkleinen van tumoren dan de leveringen zonder robots. Volgens Gao:

We denken dat dit een zeer veelbelovend platform is voor geneesmiddelafgifte en precisiechirurgie. Met het oog op de toekomst zouden we kunnen evalueren om deze robot te gebruiken als platform om verschillende soorten therapeutische ladingen of agentia voor verschillende aandoeningen te leveren. En op de lange termijn hopen we dit bij mensen te testen.

Klik hier om meer te leren over plakkerig metaal dat brede toepassingen kan hebben in robotica.

Investeerbaar bedrijf in de medische roboticasfeer 

Laten we nu een vooraanstaand bedrijf in deze sector bekijken:

Intuitive Surgical

Dit bedrijf met een marktkapitalisatie van $186,6 miljard staat bekend om het ontwikkelen, produceren en op de markt brengen van het da Vinci chirurgische systeem en het Ion endoluminale systeem. De producten en diensten van Intuitive Surgical (ISRG ) zorgen voor verbeterde patiëntresultaten.

Op het moment van schrijven worden de aandelen verhandeld tegen $517, een stijging van 55,3 % YTD, met een EPS (TTM) van 6,2 en een P/E (TTM) van 84,22. Voor Q3 2024 rapporteerde $2,04 miljard aan omzet, een stijging van 17 % ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar.

Gedurende deze periode stegen de wereldwijde da Vinci procedures met ongeveer 18 % vergeleken met Q3 2023, en groeide de geïnstalleerde basis tot 9.539 systemen, waarbij Intuitive Surgical 379 van dergelijke systemen plaatste. Het bedrijf verkreeg ook goedkeuring voor het systeem in Zuid‑Korea.

Conclusie

Robotica krijgt wereldwijd en in diverse sectoren veel aandacht. De vraag naar robots in de gezondheidszorg is bijzonder sterk en groeit dankzij hun vermogen om klinische workflows te stroomlijnen, te assisteren bij operaties, het infectierisico te verlagen en een veiligere omgeving en hoogwaardige patiëntenzorg te bieden.

Het nieuwste onderzoek naar nanorobots, zoals we vandaag hebben opgemerkt, toont een medische doorbraak die de gezondheidszorg kan veranderen door aandoeningen te behandelen die niet alleen moeilijk, maar zelfs onmogelijk lijken. Dit effent zeker de weg voor verbeterde therapieën en een gezondere toekomst.

Klik hier voor een lijst van de top robotchirurgie‑aandelen.