Magnetiska gelkapslar kan driva både robotik och medicin framåt

Magnetiska polymerer

Prof. Abdon Pena-Francesch, chef för BioInspired Materials Lab vid University of Michigan, och hans team har utvecklat en gel med magnetiska egenskaper – trots att den enbart består av kolbaserade molekyler. Denna magnetiska gel, kallad ‘TEMPO-magneter’, kan dras till andra magnetiska material och svara på magnetfält. Detta möjliggör fjärrmanipulation av gelen. Till exempel kan en kapsel i magen styras för att utföra kirurgi eller leverera medicin.

Källa: University of Michigan

De magnetiska egenskaperna hos denna TEMPO-baserade gel är svagare än metallbaserade magneter, men detta kan vara en fördel för biomedicinska tillämpningar och viss mjuk robotik. Till exempel kan MRI användas i kombination med denna teknik, där en starkare magnet skulle göra MRI i princip blind. Så i detta fall kan MRI användas för att övervaka effekterna av en medicinsk kapsel, om ett läkemedel levererats korrekt och var, eller rörelserna hos en magnetisk gelkapsel i matsmältningskanalen.

De kommande stegen

Det nästa steget i detta specifika projekt kommer att vara att göra denna typ av gel biologiskt nedbrytbar, vilket möjliggör större tolerans i den mänskliga kroppen, samt möjligheten att använda den i naturen utan att oroa sig för kontaminering och förorening.

Förutom magnetiska geléer,  3D-utskrift/additiv tillverkning bör också ge ett lyft för mjuk robotik. Långsam härdning, elastisk-plastik ger bra alternativ för proteser som går bortom de befintliga alternativen. Vi diskuterar denna växande koppling mellan de framväxande fälten mjuk robotik och 3D-utskrift i vår artikel “Hands Like a Human: New Additive Manufacturing Helps Soft Robotics Go Real”.

Vi tittade också på 3D-utskriftsindustrin i stort i artikeln “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”.

Att gå bort från hård robotik

I dagsläget har robotar diskret blivit en viktig del av våra liv. Men detta har mestadels begränsats till tunga, industriella robotarmar. På senare tid börjar drönare och mindre leverans- eller logistiska robotar ta över ännu fler uppgifter och även öka i betydelse inom krigföring. Dessa konstruktioner är dock fortfarande beroende av hydraulik och tunga, metallbaserade system.

Källa: Unsplash

För hårda material begränsar robotarnas tillämpningar, med exempelvis begränsat rörelseomfång eller svårigheter att hantera känsliga föremål. Den mekaniska och metalliska naturen hos robotik har också varit en stor begränsning i dess implementering inom medicin, såsom proteser eller interna nanorobotar.

Mjuka robotar

Det har gjorts en stark ansträngning för att utveckla en så kallad ”mjuk robot”, med plast, polymerer, metalltrådar eller andra mer flexibla komponenter. Mjukare konstruktioner bör möjliggöra nya koncept, mer inspirerade av naturen, att användas vid byggandet av en robot, som vi diskuterade i vår artikel “How Robotics Can Take a Cue From Nature”.

Men dessa system lider fortfarande av några begränsningar:

• De måste vara anslutna till en strömkälla.
• De är ofta begränsade till några förutbestämda former eller rörelser.
• De är ganska tunga.

Källa: Youtube

En idé för att undanröja dessa begränsningar är att använda magneter istället för stela metalldelar. Detta eliminerar behovet av en extern strömkälla och erbjuder mer flexibilitet och mångfald av möjliga former och rörelser.

Men metalliska magneter är fortfarande tunga. De är också, för det mesta, i viss grad giftiga, vilket gör deras användbarhet i medicinska tillämpningar mycket begränsad. Och det är synd, med tanke på att robotinteraktion med mjuk & skör vävnad för medicinska behov är en av de mest lovande tillämpningarna av mjuk robotik.

Dock säger inga fysiklagar att magneter nödvändigtvis måste vara gjorda av metall. Magnetiska egenskaper är det enda kravet. Andra material kan uppfylla kraven – precis som TEMPO-magneter.

Mjuka eller magnetiska robotikaktier

1. Stereotaxis

Stereotaxis är en ledare inom medicinsk telerobotik. Dess Genesis RMN (Robotic Magnetic Navigation)-system använder magnetfält för att styra katetrar i en patients kropp. Detta används särskilt inom hjärtkirurgi och andra endovaskulära behandlingar.

Det är den enda tillgängliga roboten i denna sektor, som skiljer sig från laparoskopisk kirurgi, dominerad av Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG) och öppna kirurgirobotar från företag som Stryker (SYK – Mako-robot) och Medtronic (MDT – Mazor-robotik). Vi diskuterade dessa två företag och andra i vår artikel “Top 5 Robotic Surgery Stocks”.

Denna metod eliminerar behovet av stela katetrar som förlitar sig på manuell kontroll och operatörskraft, vilket leder till högre risk för negativa händelser för patienterna.

Dessutom kräver den traditionella metoden för kateterinföring röntgen, vilket medför strålexponering, särskilt för den medicinska personalen som utför proceduren regelbundet. Det är ett välkänt fenomen att detta kan orsaka cancer för läkare och sjuksköterskor som utför dessa operationer.

Källa: Stereoaxis

Den manuella proceduren kräver också mycket färdighet, vilket innebär kostsam utbildning, och kommer att ha varierande framgångsrater beroende på operatören och hans erfarenhet.

I kontrast till de klassiska metoderna ger Stereotaxis lösning 72 % färre komplikationer och 36 % mindre strålexponering.

Företaget har redan implementerat sitt system på över 100 sjukhus och behandlat över 100 000 patienter.

Eftersom Stereotaxis redan använder fjärrstyrd magnetisk navigering för operationer, är det logiskt att företaget kommer att vara i en stark position för att omfamna framväxten av organisk magnetisk robotik. Och se sina RMN-robotar bli grunden för införandet av den magnetiska organiska gelteknologin på sjukhus.

2. 3D Systems Corporation

Denna ledare inom 3D-utskriftsindustrin har också gått in i bioprinting 2017 med ett forskningssamarbete med United Therapeutics (UTHR ) (UTHR). Den förvärvade också bio-ink-tillverkaren Allevia 2021. Och den meddelade ett samarbete med CollPlant Biotechnologies (CLGN) 2020 (CLGN ).

Detta förvärv ger 3D Systems (DDD ) ett försprång inom området för utskrift av biologiska material. Det kommersialiserar för närvarande 3 modeller av sin Allevi-bioprinter.

Källa: 3D Systems

Som en växande producent av 3D-utskrivna medicinska enheter och proteser OCH en ledare inom bioprinting, kan vi föreställa oss att företaget kan vara intresserat av att hitta nya tillämpningar för fjärrstyrd organisk magnetisk gel.

Så, om mjuk robotik med magnetisk gel blir en växande medicinsk tillämpning, kan vi förvänta oss att 3D Systems blir en del av denna medicinska revolution och hjälper till att 3D-printa de relevanta verktygen för dessa nya terapier.

(Vi utforskade bioprintingområdet i detalj i vår artikel “Organs On Demand: Best 3D Bioprinting Stocks”).

3. Desktop Metal, Inc.

Desktop Metal är en annan stor ledare inom 3D-utskrift, med över 650 patent, mer än 250 möjliga material och 6 000 kunder. Ett av dess huvudfokus har varit metall-3D-utskrift, ett mål som länge efterfrågats av 3D-utskriftsindustrin.

Den är också aktiv inom hälso- och sjukvård, med början från förvärvet av det tyska företaget EnvisionTEC, som inkluderar tandvårdsteknologi. Detta sker i samband med ett strategiskt partnerskap med den ledande ortodontiföretaget Align Technology. (ALGN )

Sammanslagningen med EnvisionTEC hjälpte också Desktop Metal att utveckla dess Desktop Health 3D-skrivare. Den är mer en scaffold-skrivare än en fullcell-/organ-3D-skrivare. Ändå, om bioprinting visar sig kräva hydrogel eller andra polymerer som en permanent scaffold, blir detta en stark teknologisk fördel för Desktop Health.

Källa: Desktop Metal

Även om fokus på bioprinting och hälso- och sjukvård är mindre starkt än hos 3D Systems, är det inte omöjligt att Desktop Metal också kan vara intresserat av potentialen att kombinera 3D-utskrift och organiska magnetiska geléer.

4. Soft Robotics

Detta företag är privat noterat och fokuserar på att utveckla mGripAI, en robot med ett mjukt grepp för livsmedelsbearbetningsindustrin, kombinerat med ett fullständigt 3D-synsystem och AI.

Källa: Soft Robotics

Du kan också se den i aktion i den här videon. Även om det sannolikt inte kommer att gå in i den medicinska sektorn, kan företaget kanske en dag bli intresserat av en giftfri version av magnetisk mjuk robotik för användning i livsmedelsindustrin. Detta är särskilt sant om den organiska magnetiska gelen kan förbättras till att bli biologiskt nedbrytbar.