В течение 50 лет ученые искали способ создания микроскопических вживляемых устройств, которые могли бы двигаться по организму человека через кровоток
Недавно инженеры из Стэнфорда продемонстрировали устройство, созданное с помощью беспроводных технологий, которое может сделать многолетнюю мечту реальностью.
Недавно инженер-электрик Ада Пун продемонстрировала крошечное управляемое медицинское устройство, которое способно перемещаться в жидкостях, в частности в крови. Эра хирургов, которых можно уменьшить и проглотить, вероятно, перестает быть предметом научной фантастики.
Пун - старший преподаватель в школе инженерии Стэндфордского университета. Она занимается разработкой нового класса медицинских устройств, которые можно внедрять или вводить в человеческое тело; они приводятся в действие с помощью беспроводных технологий, с использованием электромагнитных радиоволн. Не нужно ни батарей, ни кабелей, чтобы обеспечить устройство энергией.
«Подобные устройства могли бы революционизировать медицинскую технику, - говорит Пун. - Приборы будут выполнять все мыслимые функции - от диагностики до минимально сложных операций».
Очевидно, подобные устройства, такие как сердечные шунты, датчики давления и химических показателей, кохлеарные имплантаты, пейсмекеры и приборы для введения лекарств (инсулина, например), могли бы стационарно находиться в пределах тела. Другие устройства того же типа могли бы использоваться для введения лекарств, диагностики и, возможно, даже удаления кровяных сгустков или бляшек.
Команда исследователей, которые занимаются разработкой наноприбора, во главе с Адой Пун (фото stanford.edu)
Сложности с питанием
Идея вживляемых медицинских устройств не нова, но многих ученых ставило в тупик то, каким образом привести это устройство в действие, в частности размеры нужных батарей, которые оказываются слишком большими, тяжелыми и должны периодически заменяться. Как минимум половину устройства занимает батарея.
«В то время как мы очень хорошо научились делать микродетали для электронных и механических составляющих, аккумуляторы энергии сильно отстали в миниатюризации, - сказала соавтор проекта Тереза Менг, преподаватель электротехники и информатики в Стэнфорде. – Это значительно ограничило бы наши возможности».
Но устройства Пун получают заряд от радиопередатчика, который установлен на автономном устройстве, соединенном с основным устройством магнитным полем, и не имеет контакта с телом. Энергия передается с помощью беспроводных технологий. Устройство управляется удаленно.
Меняя понимание
В течение пятидесяти лет ученые работали над беспроводным электромагнитным питанием вживляемых устройств. Но, согласно моделям, высокочастотные радиоволны быстро рассеиваются в человеческой ткани и исчезают по экспоненте с более глубоким проникновением.
Низкочастотные сигналы, с другой стороны, проникают хорошо, но требуют антенн слишком большого размера.
Пун посмотрела на проблему с другой стороны. В своих моделях ученые предполагали, что человеческий мускул, жир и кость - хорошие проводники электричества, и поэтому ученые оперировали определенным блоком математических принципов, известных как уравнения Максвелла – «квазистатическое приближение», если точнее.
Пун применила другой подход, выбирая в качестве модели ткани тип изолятора - диэлектрик. Исследователь обнаружила, что человеческая ткань - плохой проводник электричества. Но радиоволны все же могут через нее перемещаться.
Пун провела повторные вычисления, в ходе которых ей удалось значительно продлить возможность «путешествия» прибора по человеческому телу.
Размеры устройства, которое будет путешествовать по человеческому телу по кровеносным каналам (фото stanforddaily.com)
Открытие
Обнаружение Пун означало, что антенны на устройстве, вводимом в тело, могут быть в 100 раз меньшего размера, чем представлялось изначально, и обеспечивать устройство тем же количеством энергии.
Фактически Пун создала не новую технологию, а обнаружила новую математику. Антенна на устройстве, которое продемонстрировала ученая, имеет площадь всего в два миллиметра, этого достаточно, чтобы устройство могло свободно проходить через кровоток.
Она разработала два типа самоходных устройств. Принцип работы первого - электрический ток проходит через жидкость, создавая направленную силу, которая продвигает устройство. Такой прибор способен перемещаться со скоростью полсантиметра в секунду. Второй вариант переключает поток вперед-назад, в проводную петлю, по принципу движения байдарочника, движущегося против течения.
«У нас сильная команда разработчиков для усовершенствования устройства, и нам предстоит серьезная работа, прежде чем эти устройства будут готовы к применению в медицине, - сказала Пун. - Но впервые за десятилетия эта возможность кажется очень близкой».
Комментарии (0)