Målinriktad läkemedelsfrisättning närmar sig verkligheten med de senaste bubbla‑robotarna

Robotik blir allt mer populärt för varje år som går i takt med att efterfrågan på effektiva och kostnadseffektiva lösningar ökar. 

Med robotteknik som erbjuder bekvämlighet och förbättrad säkerhet samt integrationen av artificiell intelligens och maskininlärning, vilket möjliggör mer avancerade robotfunktioner, är det inte förvånande att den globala robotikmarknaden förväntas överstiga $200 miljarder vid slutet av detta decennium. 

Ett annat bevis på robotikens växande användning är den globala installationen av industrirobotar, som nådde 541 302 år 2023, den näst högsta årliga installationen i historien. Rekordet sattes året innan då 552 946 enheter installerades.

Med detta har det totala antalet operativa robotar nu nått en ny topp på cirka 4,3 miljoner enheter världen över, där Asien leder med 70 %, följt av Europa med 17 % och sedan Amerika med 10 %. När det gäller robottillverkning ligger Japan i framkant med en marknadsandel på 46 %. 

Enligt International Federation of Robotics (IFR) kommer robotikens tillväxt att accelerera 2025 och fortsätta i samma takt under de kommande åren.

När det gäller de industrier som driver robotikens massiva expansion ligger fordonsindustrin i framkant, med elektronik, metall och maskineri, avfallshantering, jordbruk, detaljhandel, byggnation och livsmedelstjänster som andra sektorer som använder robotar.

Robotar inom sjukvården

Medan robotar används i alla branscher finns det en sektor där de har en mycket större och mer positiv inverkan, och det är medicin. Den globala marknaden för medicinska robotsystem växer snabbt, och det uppskattas att dess storlek kommer att öka från $16 miljarder 2024 till $33.8 miljarder år 2029.

Robotar används i alla områden inom sjukvården, från att leverera mediciner och assistera vid rehabilitering till att hjälpa till med diagnostik, kirurgi och läkemedelsleverans.

Till exempel används robotarmar för blandning, dosering, räkning och inspektion, medan programmerade leveransrobotar används för att leverera föremål till specifika platser.

Dessa autonoma mobila robotar förenklar rutinuppgifter för vårdpersonal genom att minska de fysiska kraven på mänskliga arbetare och hantera personalbrist. De håller även koll på lager och ser till att alla förnödenheter alltid finns i lager när de behövs, samt desinficerar rum och förbereder dem för patienter.

Genom att ta över alla dessa rutinuppgifter låter autonoma mobila robotar medicinsk personal fokusera på patienter och deras specifika behov som tekniken inte kan tillgodose. Robotens namn Tug från Aethon är ett sådant exempel som har förmågan att röra sig genom svåra förhållanden för att göra säkra leveranser dit de behövs och när de behövs.

Dessa robotar bidrar också till en säker arbetsmiljö genom att utföra uppgifter som rengöring, desinfektion och transport av förnödenheter till sjukhus och områden där det finns risk för patogenexponering.

Enligt CDC har ungefär en av 31 sjukhuspatienter minst en vårdrelaterad infektion en given dag. Detta beror på sjukhusens oförmåga att desinficera rum fullständigt. För att hjälpa till att lösa sådana problem byggs automatiserade robotar som den FDA‑godkända Xenex, som använder pulserade UV‑strålar för att sterilisera sjukhusrum på bara några minuter. 

Teknologisk innovation har också lett till avancerade kirurgiska assistansrobotar som hjälper kirurger att uppnå högre hastighet och större precision vid komplexa operationer. 

En flerarmad underverkrobot kallad da Vinci Surgical System är ett sådant exempel som används för att göra kirurgi mindre invasiv, minska kirurgiska fel och ge förbättrad kontroll. Cyberknife är en annan som behandlar cancer genom att leverera strålterapi till tumörer med extrem precision. 

Sedan finns det farmaceutiska robotar, som får stort genomslag på grund av den åldrande befolkningen och personer med kroniska sjukdomar som kräver kontinuerlig medicinering och precis behandling. Genom att automatisera kritiska processer som vanligtvis utförs manuellt och är tidskrävande, bidrar farmaceutiska robotar ytterligare till att förbättra kvalitet och precision.

Robotar för läkemedelsleverans 

Drivna av teknologiska framsteg och det ökande behovet av automatisering inom läkemedelsutveckling och patientvård gör robotar läkemedelsleveransen mer effektiv och precis, vilket förbättrar patientvården.

Företag utvecklar mikro- och nanorobotar som rör sig självständigt för att leverera läkemedel till svåråtkomliga områden, drivna av kemiska reaktioner eller externa källor som ljus, elektriska fält eller magnetfält. Genom att rikta in sig på sjukdomsplatser förbättrar dessa robotar terapeutisk effekt och minskar biverkningar.

För ett par år sedan utvecklade ett forskarlag MANiACs, som är små rullande robotar med magnetiska nanoroder inneslutna i ett mjukt sfäriskt skal. År 2022 byggde en maskinteknikingenjör vid Stanford multifunktionella trådlösa robotar för samma ändamål. 

Och för bara ett par månader sedan utvecklade forskare vid NTU Singapore mjuka robotar i kornstorlek för riktad läkemedelsleverans. Robotarna, som är tillverkade med magnetiska mikropartiklar och styrs med magnetfält, kan transportera upp till fyra olika läkemedel och frigöra dem i omprogrammerbara doser och ordningar.

Denna forskning byggde på lagets tidigare arbete som involverade magnetiskt styrda miniatyrrobotar som kan greppa små föremål och simma genom trånga utrymmen, bland andra komplexa rörelser.

Forskningen inspireras av en sci‑fi‑film från 1960‑talet, ‘Fantastic Voyage’, där en besättning krymper till cellstorlek för att reparera skador i en forskares hjärna, och förvandlar fantasin till verklighet.  

Den mycket smidiga roboten, när den testades i laboratorieexperiment, rörde sig med hastigheter mellan 0,30 mm och 16,5 mm per sekund, levererade framgångsrikt läkemedel i mer utmanande miljöer, och även efter åtta timmars konstant rörelse visade den minimal läckage av läkemedel.

NTU‑teamet undersöker nu att göra dessa robotar ännu mindre så att de slutligen kan användas för att behandla blåscancer, hjärntumörer och kolorektal cancer.

Microbots: Tiny Robots That Revolutionize Precision Medicine

Mikrorobotar använder miniaturiserade sensorer och aktuatorer för att utföra handlingar som de är programmerade för. Deras mikronstorlek gör dem enkla att använda i miljöer som traditionellt har varit för komplicerade och svåra att nå. Denna förmåga gör dessa robotar ovärderliga för minimalt invasiv kirurgi, sjukdomsdiagnostik, avgiftning och precisionsläkemedelsleverans.

Dock är de inte utan sina utmaningar när det gäller deras effektivitet och lokalisering genom djup vävnad.

Ett annat stort problem är att de har visat sig vara mer show än substans. Under de senaste två decennierna har flera versioner av mikro‑ eller nanorobotar släppts, men hittills har deras tillämpningar i levande system varit ganska begränsade. Dessutom är det faktum att flytta föremål med hög precision i komplexa bioflytningar som saliv, urin och blod också ganska komplicerat. 

Other obstacles for nanorobots include real-time detection within the body and achieving precise remote control for targeted therapy.

När man designar dessa mikrobotar uppstår också frågan om de ska vara kopplade eller fristående. För att en fristående mikrorobot ska fungera effektivt i människokroppen måste den ha stabil framdrift genom bioflytningar, hög lastkapacitet, hög biokompatibilitet för att undvika kirurgisk borttagning, förbättrad avbildning för realtidsvisualisering och exakt målrikting.

Här visar akustiskt aktiverade robotar stor potential tack vare fördelarna med djupvävnadspenetration, icke‑invasiv drift, snabb respons, robusta drivkrafter och säkerhet.

Forskare från Caltech introducerade därför BAM — en hydrogelbaserad, bildstyrd, bioresorberbar akustisk mikrorobot som kan navigera i människokroppen med hög stabilitet. BAM är inte en metallhumanoid eller bio‑imiterande robot, den är en liten bubbelliknande sfär.

Enligt medförfattaren till artikeln om robotarna, Wei Gao, som är professor i medicinsk teknik vid Caltech och forskare vid Heritage Medical Research Institute:

“Vi har designat en enda plattform som kan lösa alla dessa problem.”

I deras forskning, forskarna noterade att när de testades hjälpte robotarna teamet att framgångsrikt leverera terapier som minskade storleken på blåstumörer hos möss. 

“Istället för att sätta ett läkemedel i kroppen och låta det spridas överallt, kan vi nu leda våra mikrorobotar direkt till en tumörplats och frigöra läkemedlet på ett kontrollerat och effektivt sätt.”

– Gao

När BAM‑teknologin utvecklas förutspår studien att enheten kommer att ha en betydande inverkan på sjukvårdssektorn och patientvården.

Designen & utvecklingen av BAM

Den nya mikroroboten, som har sfäriska mikrostrukturer, är tillverkad av en hydrogel som heter poly(ethylene glycol) diacrylat. Hydrogel börjar i vätske- eller hartsform, men när polymernätverket i den blir tvärbunden blir den fast.

Denna sammansättning och mikrostruktur gör att hydrogeler kan behålla stora mängder vätska, vilket hjälper teamet att övervinna problemet med robotarnas biokompatibilitet. Samtidigt möjliggör additiv tillverkning att den yttre sfären kan transportera den terapeutiska lasten till en målplats i kroppen.

Mikrostrukturerna och hydrogelreceptet skapades med hjälp av Julia R. Greer, medförfattare, samt Ruben F. och Donna Mettler, professor i materialvetenskap, mekanik och medicinsk teknik.

För detta använde hennes grupp tvåfotonpolymerisation (TPP) litografi. I denna 3D‑skrivningsteknik används en laser för att skapa komplexa strukturer. Här används ultrasnabba pulser av infraröd laserljus för att selektivt tvärbinda fotosensitiva polymerer enligt en specifik design.

TPP‑litografin bygger i princip en högupplöst struktur lager för lager, vilket gör att teamet kan uppnå komplexa former och hög precision. Gruppen kunde skriva (skriva ut) mikrostrukturer som är ungefär 30 mikron i diameter, vilket motsvarar tjockleken på ett mänskligt hår.

När man talar om sfärformen på strukturen påpekade Greer att den är “mycket komplicerad att skriva” och kräver kunskap om “vissa knep i branschen för att förhindra att sfärerna kollapsar på sig själva”, så det är en enorm prestation att teamet lyckades skapa dem.

“Vi lyckades inte bara syntetisera harts som innehåller all biofunktionalisering och alla medicinskt nödvändiga element, utan vi lyckades också skriva dem i en exakt sfärisk form med den nödvändiga håligheten.”

– Greer

Detta är den inre strukturen av sfären, och när det gäller dess yttre struktur kommer mikrorobotarna att inkorporera magnetiska nanopartiklar och den terapeutiska läkemedlet i sin slutliga form.

De magnetiska nanopartiklarna gör det möjligt för forskarna att styra robotarna och rikta dem till en önskad plats med ett externt magnetfält. När de slutligen når målet stannar robotarna på den platsen och läkemedlet sprids passivt.

När det gäller mikrostrukturens yttre har teamet dessutom designat den för att vara hydrofil, vilket betyder att den dras till vatten. Detta säkerställer att de enskilda robotarna inte fastnar ihop när de färdas genom kroppen. 

Till skillnad från mikrorobotens yttre yta är den inre ytan inte hydrofil utan snarare hydrofob eftersom den måste fånga en luftbubbla, som är lätt att lösa.

För att bygga en hybridmikrorobot vars yttre attraherar vatten medan den inre stöter bort vatten, designade teamet en kemisk modifiering. 

Denna modifiering involverade två steg; det första bestod i att fästa långa kolkedjor på hydrogelen, vilket effektivt gjorde den hydrofob. I det andra steget använder forskarna syreplasmabehandlingsmetoden för att avlägsna kolstrukturerna från utsidan, vilket gör den yttre ytan hydrofil.

De kallade sin kemiska modifiering “en av nyckelinnovationerna i detta projekt”, och Gao konstaterade att den asymmetriska ytmörkningen verkligen gjorde det möjligt för dem “att använda många robotar och ändå fånga bubblor under en förlängd tidsperiod i bioflytningar, såsom urin eller serum.”

Enligt teamets demonstration gjorde denna teknik att bubblor varade i flera dagar i stället för bara några minuter.

Nu, varför behöver vi egentligen fånga dessa bubblor? Jo, fångade bubblor är nödvändiga för att röra robotarna och för att kunna spåra dem med realtidsavbildning. 

För att möjliggöra att mikroroboten ska kunna röra sig framåt har forskarna gjort sfären med två cylinderliknande öppningar. Teamet fann att två öppningar gjorde att robotarna kunde röra sig i olika bioflytningar med högre hastighet än med en enda öppning.

När de utsätts för ett ultraljudsfält vibrerar bubblorna i roboten, vilket får den omgivande vätskan att strömma bort och driver roboten genom vätskan.

Bubblan, som är fångad i varje mikrostruktur, fungerar som en utmärkt kontrastagent för ultraljudsavbildning, vilket möjliggör realtidsövervakning av robotarna in vivo.

Teamet testade sedan mikrorobotarna som ett verktyg för läkemedelsleverans i möss med blåstumörer. Under 22 dagar gjordes fyra leveranser av terapier med hjälp av mikrorobotarna. Dessa leveranser visade sig vara mer framgångsrika i att minska tumörernas storlek än de som inte använde robotar. Enligt Gao:

“Vi tror att detta är en mycket lovande plattform för läkemedelsleverans och precisionskirurgi. Framåt i tiden kan vi utvärdera att använda denna robot som en plattform för att leverera olika typer av terapeutiska laster eller ämnen för olika tillstånd. På lång sikt hoppas vi kunna testa detta på människor.”

Klicka här för att läsa om klibbigt metall som kan ha bred tillämpning inom robotik.

Investeringsbart företag inom medicinsk robotik 

Låt oss nu titta på ett framstående företag inom detta område:

Intuitive Surgical

Detta företag med ett börsvärde på 186,6 miljarder dollar är känt för att utveckla, tillverka och marknadsföra da Vinci‑kirurgisystemet och Ion‑endoluminalsystmet. Intuitive Surgicals produkter och tjänster möjliggör förbättrade patientresultat.

Vid skrivande stund handlas aktierna till 517 dollar, upp 55,3 % år‑till‑datum, med ett EPS (TTM) på 6,2 och ett P/E (TTM) på 84,22. För Q3 2024 rapporterade företaget 2,04 miljarder dollar i intäkter, en ökning med 17 % jämfört med samma kvartal föregående år.

Under denna period ökade antalet da Vinci‑procedurer globalt med cirka 18 % jämfört med Q3 2023, och den installerade basen växte till 9 539 system, där Intuitive Surgical (ISRG ) placerade 379 sådana system. Företaget fick också regulatoriskt godkännande för systemet i Sydkorea.

Slutsats

Robotik får stor uppmärksamhet över hela världen och i alla branscher. Efterfrågan på robotar inom sjukvården är särskilt stark och växer tack vare deras förmåga att effektivisera kliniska arbetsflöden, assistera vid operationer, minska infektionsrisker och erbjuda en säkrare miljö samt högkvalitativ patientvård.

Den senaste forskningen inom nanorobotar, som vi noterade idag, visar ett medicinskt genombrott som kan förändra sjukvårdsindustrin genom att behandla tillstånd som inte bara är svåra utan kanske till och med omöjliga. Detta banar definitivt vägen för förbättrade terapier och en hälsosammare framtid.

Klicka här för en lista över de bästa robotkirurgiaktierna.