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 dollar i slutet av 2020-talet enligt den citerade prognosen. 

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.

År 2023 fanns cirka 4,3 miljoner industrirobotar i drift världen över. Asien stod för 70 procent av årets nyinstallationer, Europa för 17 procent och Nord- och Sydamerika för 10 procent. Japan är samtidigt en ledande tillverkare av industrirobotar. 

I sin prognos från 2024 räknade International Federation of Robotics (IFR) med att tillväxten skulle ta fart igen 2025 och fortsätta under kommande år.

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

Robotar används bland annat inom medicinen, där de kan assistera vårdpersonal. Den citerade marknadsprognosen uppskattade att marknaden för medicinska robotsystem skulle växa från 16 miljarder dollar 2024 till 33,8 miljarder 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 överta vissa rutinuppgifter kan mobila robotar ge vårdpersonalen mer tid för patienter. Aethons robot TUG transporterar exempelvis material genom sjukhusmiljöer till bestämda destinationer.

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. Sådana infektioner har flera orsaker och kan inte enbart tillskrivas bristande rumsdesinfektion. Xenex LightStrike+ fick FDA:s De Novo-auktorisering för att minska mikroorganismer på vissa ytor i tomma vårdrum som komplement till manuell rengöring och desinfektion; det innebär inte att hela rum steriliseras. 

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

Operationssystemet da Vinci har flera robotarmar som styrs av kirurgen och kan underlätta minimalt invasiva ingrepp. Det garanterar inte att kirurgiska fel undviks. CyberKnife använder en robotarm för att rikta strålbehandling mot tumörer. 

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.

Forskare utvecklar mikro- och nanorobotar för att transportera läkemedel till svåråtkomliga områden. De kan drivas av kemiska reaktioner eller externa ljus-, el- eller magnetfält. Målet är bättre lokal behandling och färre biverkningar, men många system befinner sig fortfarande på försöksstadiet.

Ett forskarlag utvecklade tidigare MANiACs, små rullande robotar med magnetiska nanostavar i ett mjukt sfäriskt hölje. År 2022 presenterade forskare vid Stanford även multifunktionella trådlösa robotar för riktad läkemedelsleverans. 

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 för tankarna till science fiction-filmen Fantastic Voyage från 1966, där en besättning krymps för att färdas genom en människokropp. De verkliga robotarna är däremot experimentella medicintekniska system.  

Vid laboratorietester rörde sig roboten med 0,30–16,5 millimeter per sekund och transporterade läkemedel i krävande miljöer. Läckaget var litet även efter åtta timmars kontinuerlig rörelse.

NTU-teamet undersökte hur robotarna skulle kunna göras ännu mindre för framtida användning mot bland annat blås-, hjärn- och kolorektal cancer. Det var ett forskningsmål, inte en etablerad patientbehandling.

Mikrobotar: små robotar som revolutionerar precisionsmedicinen

Mikrorobotar kan använda små sensorer och aktuatorer eller reagera direkt på externa fält. Deras mikrometerstora strukturer gör dem intressanta för svåråtkomliga miljöer, exempelvis vid riktad läkemedelsleverans och diagnostik. De är ännu inte rutinverktyg för alla dessa medicinska användningar.

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

Ett viktigt problem är avståndet mellan lovande demonstrationer och klinisk användning. Trots många konstruktioner under de senaste två decennierna har användningen i levande system varit begränsad. Exakt förflyttning i komplexa kroppsvätskor som saliv, urin och blod är fortfarande svår. 

Andra hinder för nanorobotar är att upptäcka dem i kroppen i realtid och att uppnå exakt fjärrstyrning för riktad behandling.

Vid konstruktionen måste forskarna också välja mellan robotar som är fysiskt anslutna till utrustning och robotar utan sådan anslutning. En frikopplad robot är inte nödvändigtvis autonom. Den behöver lämplig framdrivning, tillräcklig lastkapacitet, biokompatibilitet, möjlighet till avbildning och exakt styrning; säker nedbrytning kan minska behovet av kirurgisk borttagning.

Akustiskt drivna robotar är intressanta eftersom ultraljud kan nå relativt djupt in i vävnad och ge snabb, trådlös aktivering. Säkerheten måste dock utvärderas för varje konstruktion och användning.

Caltech-forskare utvecklade BAM, en bildstyrd, bioresorberbar akustisk mikrorobot av hydrogel. Den lilla bubbelliknande sfären testades för riktad läkemedelsleverans i möss, inte som en färdig behandling i människokroppen.

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 forskningvisade forskarna att robotarna kunde leverera behandling 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

Resultaten visar en möjlig väg mot framtida läkemedelsleverans. Innan BAM kan användas kliniskt behövs ytterligare utveckling och studier av effekt och säkerhet.

Designen & utvecklingen av BAM

Den sfäriska mikroroboten tillverkas av en hydrogel baserad på polyetylenglykoldiakrylat. Utgångsmaterialet är en flytande harts som stelnar när polymererna tvärbinds.

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 utvecklades med hjälp av medförfattaren Julia R. Greer, innehavare av Ruben F. och Donna Mettlers professur i materialvetenskap, mekanik och medicinsk teknik. Ruben F. och Donna Mettler är namngivare till professuren, inte ytterligare forskare i projektet.

Hennes grupp använde tvåfotonpolymerisationslitografi (TPP), en form av 3D-utskrift där mycket korta infraröda laserpulser tvärbinder fotosensitiva polymerer på utvalda platser.

Med TPP kan forskarna skapa komplexa mikrostrukturer med hög precision. De skrev ut strukturer med en diameter på cirka 30 mikrometer, i samma storleksordning som ett tunt hårstrå.

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

I den färdiga konstruktionen ingår också magnetiska nanopartiklar och läkemedlet som ska transporteras.

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. 

Insidan är däremot hydrofob, alltså vattenavstötande, för att hålla kvar en luftbubbla som annars lätt kollapsar eller löses upp.

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.

Gao beskrev den asymmetriska ytmodifieringen som en viktig innovation: en hydrofob insida och hydrofil utsida gjorde att många robotar kunde användas samtidigt och hålla kvar bubblor länge i exempelvis 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 kroppsvätskor 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 i varje mikrostruktur fungerar även som kontrastmedel vid ultraljudsavbildning, så att forskarna kan följa robotarna i levande försöksdjur.

Teamet testade mikrorobotarna i möss med blåstumörer. Fyra behandlingar under 21 dagar gav större tumörminskning än läkemedelsbehandling utan 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 klibbig metall och dess möjliga användningsområden inom robotik.

Investeringsbart företag inom medicinsk robotik 

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

Intuitive Surgical

Vid artikelns tillkomst angavs Intuitive Surgicals börsvärde till 186,6 miljarder dollar. Företaget utvecklar, tillverkar och marknadsför operationssystemet da Vinci och det endoluminala systemet Ion, som används av vårdpersonal vid vissa ingrepp.

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.

Forskningen om dessa mikrorobotar visar lovande resultat för riktad behandling i försöksdjur. Den kan bidra till framtida terapier, men någon säker och effektiv behandling av människor har ännu inte visats i de beskrivna försöken.

Klicka här för en lista över de bästa robotkirurgiaktierna.