Trang chủ Robot & Robotics Robot & Robotics “Tàu ngầm” tí hon di chuyển trong dịch cơ thể

“Tàu ngầm” tí hon di chuyển trong dịch cơ thể

Các nhà nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Planck ở Stuttgart đã chế tạo thành công một loại “tàu ngầm” tí hon: nó nhỏ đến mức có thể hoạt động trong các dung dịch của cơ thể hay thậm chí trong từng tế bào! Công trình này có mục đích tạo ra một thiết bị điều khiển được để di chuyển trong các dung dịch sinh học phức tạp khác nhau.

Trong bộ phim Fantastic Voyage phát hành năm 1966, một tàu ngầm hoàn chỉnh cùng các thuyền viên được thu nhỏ kích thước để thực hiện nhiệm vụ phẫu thuật não. Việc chuyển cả ê kíp phẫu thuật đến vùng cơ thể bị bệnh đến nay còn là chuyện viễn tưởng, và sẽ mãi là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên, ý tưởng về tàu ngầm di chuyển trong cơ thể sẽ mang lại rất nhiều lợi ích thiết thực: nó có thể vận chuyển lượng thuốc chính xác đến đúng vùng mục tiêu, ví dụ như trên võng mạc; nó cũng sẽ cho phép đưa liệu pháp gen vào trong các tế bào riêng biệt.

Peer Fischer, trưởng điều hành nhóm nghiên cứu Hệ thống Nano và Phân tử, thuộc Viện Nghiên cứu các Hệ thống thông minh Max Planck tại Stuttgart cho rằng nếu mọi chuyện diễn ra đúng như dự kiến, các bác sĩ sẽ nhờ đến các robot tí hon kích cỡ micron, hay thậm chí nano, để thực hiện các ca phẫu thuật tinh xảo cần độ chính xác cao. Các trợ tá tí hon này sẽ tập trung đến đúng điểm mục tiêu, giúp hạn chế tối thiểu việc phẫu thuật xâm phạm.

Con sò siêu nhỏ không thể bơi trong nước, thế còn trong các dung dịch sinh học?

Các mục tiêu trên vấp phải 2 trở ngại chính mang tính căn bản. Thứ nhất, một điều rõ ràng là những thiết bị như miêu tả phải đủ nhỏ để có thể đưa vào cơ thể bằng ống tiêm hoặc phương tiện tương tự. Thứ hai, một khi được đưa vào cơ thể, thiết bị phải có khả năng di chuyển qua các loại dịch cơ thể và các mô. Nhóm của Peer Fischer đã có những bước tiến đáng kể trong việc giải quyết cả 2 vấn đề trên.

Cùng với các nhà nghiên cứu ở đại học Technion - Israel và đại học Kỹ Thuật Dortmund - Đức, nhóm nghiên cứu Stutgart gần đây đưa ra các kết quả về một dạng sò nhân tạo đường kính chỉ vài micro mét. Con sò được thiết kế để có thể đóng mở cặp vỏ, tạo lực đẩy nó di chuyển trong dịch cơ thể.

Nguyên lí xem có vẻ đơn giản nhưng thực tế lại phức tạp hơn rất nhiều. Fischer môt tả: “Chiếc vỏ con sò nhân tạo có kích thước chỉ lớn hơn sợi tóc vài lần­­­ và với thiết bị nhỏ như vậy, nước sẽ có độ nhớt như mật ong hay thậm chí như nhựa đường với vật thể có tầm kích thước con người.” Do gặp phải lực nhớt lớn như vậy, các chuyển động vẫy đỗi xứng ra phía trước và về phía sau của tấm vỏ sẽ không mang lại một chút lực đẩy nào, bởi các động tác vẫy về phía trước và sau triệt tiêu lẫn nhau. Vì lí do ấy, con sò mini sẽ không thể di chuyển trong thực tế. Tuy nhiên, nhờ vào việc mục tiêu nhắm đến ứng dụng trong cơ thể người hình thành từ khá lâu, các nhà khoa học đã thử nghiệm trực tiếp trong dung dịch mẫu gần với thực tế, có các đặc tính khác biệt hẳn so với nước. Fisher nói: “Phần lớn dung dịch trong cơ thể có đặc tính là độ nhớt thay đổi theo tốc độ của chuyển động. Ví dụ như trong hoạt dịch của các khớp, các phân tử axit Hyaluronan (hyaluronic acid - một thành phần chính của sụn) tự sắp xếp theo cấu trúc mạng, gây ra độ nhớt cao. Tuy nhiên khi có vật thể di chuyển trong dung dịch này, mạng các phân tử bị phá vỡ và độ nhớt dung dịch giảm đi rất nhiều.

Từ trường điều khiển đóng mở vỏ sò

Đặc tính nêu trên của dung dịch đã được các nhà khoa học đã lợi dụng một cách hiệu quả. Họ điều khiển để chuyển động mở của vỏ con sò nhanh hơn nhiều lần chuyển động đóng. Trợ lí phòng thí nghiệm, nghiên cứu sinh tiến sĩ Tian Qiu cho biết: “Sự bất đối xứng về vận tốc chuyển động làm cho độ nhớt của dung dịch giảm hơn khi vỏ sò mở so với khi vỏ sò đóng. Vì thế, khoảng cách con sò đi được khi mở sẽ khác so với khoảng cách nó lùi lại khi khép vỏ. Điều này tạo chuyển động đẩy nó về phía trước. Giải pháp ấy đánh dấu việc lần đầu tiên một thiết bị ở cỡ này có khả năng di chuyển trong dung dịch bằng các chu trình chuyển động đối xứng”.

Để điều khiển thiết bị bơi cỡ micro này, các nhà nghiên cức đã tích hợp các nam châm đất hiếm siêu nhỏ trong 2 vỏ sò. Điều này cho phép họ điều khiển việc đóng mở vỏ sò bằng cách áp đặt từ trường ngoài, cũng đồng nghĩa với việc cho phép điều khiển chuyển động của thiết bị. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng không chỉ các robot siêu nhỏ điều khiển bằng từ mới có thể bơi trong một số dung dịch bằng các chuyển động đối xứng, mà điều này còn áp dụng cho các thiết bị khác không dùng từ. Như con sò cỡ micron sử dụng dẫn động phản ứng theo thay đổi nhiệt độ cũng làm được điều tương tự.

Hiện tại, con sò nhân tạo được làm từ nhựa cứng. Thách thức đặt ra với các nhà khoa học là chế tạo các miếng vỏ sò siêu mỏng nhưng vẫn đủ cứng cho các chuyển động trong dung dịch nhớt.
Các nhà nghiên cứu đã đăng tải kết quả của họ lên tạp chí Natura Communications. Họ dự định sẽ tiến hành thử nghiệm thiết bị bơi siêu nhỏ trong một số dung dịch sinh học đặc biệt. “Ví dụ, trong các bước tiếp theo, chúng tôi có ý định sẽ đưa thiết bị này bơi qua ma trận các mặt ngoài tế bào trong một mô”, Peer Fischer cho biết.

Chân vịt sử dụng đinh vít siêu nhỏ - một dạng thiết bị bơi thứ hai

Chiếc chân vịt đinh vít này lại là robot thứ hai mà nhóm nghiên cứu Stuttgart của Fischer giới thiệu đến cộng đồng khoa học, chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn sau phát minh đầu tiên. Trong bài báo đăng trên ACS Nano số tháng 9, các nhà khoa học Stuttgart cùng với các cộng sự từ Israel mô tả phát minh mới của họ như một thiết bị còn nhỏ hơn con sò đưa ra trước đó. Thiết bị này có hình dạng một chiếc mở nút chai với cấu trúc xoắn ốc. Dạng cấu trúc đinh ốc này đã tồn tại từ khá lâu, tuy nhiên các thiết bị trước kia giới hạn ở kích thước 10 micromet hoặc hơn. Đến nay, lần đầu tiên các nhà khoa học Stuttgart đã thành công trong việc sáng chế ra thiết bị chân vịt với đường kính cỡ khoản 100 nanomet, tức chỉ 1/10 micromet. Thiết bị bơi siêu nhỏ dài chỉ 400 nanomet. Khi chế tạo chiếc­­ chân vịt, nhóm nghiên cứu đã phát triển một công nghệ của riêng họ: lắng đọng vật liệu của hình xoắn ốc theo từng lớp một để tạo nên một cấu trúc mẫu có hình học được xác định sẵn. Để lái chiếc robot siêu nhỏ này, nhóm đã tích hợp nicken từ tính vào các vị trí chiến lược. Khi đặt từ trường xoáy vào, thiết bị hình đinh ốc cũng xoay theo, và như vậy chiếc chân vịt tiến lên phía trước qua dung dịch chất lỏng.

Giống như trong trường hợp của con sò bằng nhựa cứng, các nhà khoa học cũng mường tượng ra các ứng dụng y học cho phát minh của mình. Vì lí do này, họ cũng sử dụng axit Hyaluronan làm môi trường thử nghiệm. Đồng tác giả dự án, nghiên cứu sinh tiến sĩ Debora Schamel của Viện Max Plank, Stuttgart cho biết:  “Đó là một loại hợp chất đa phân tử của cacbonhydrate với các liên kết phân tử tạo nên cấu trúc dạng gel,  như vậy có tính nhớt cao. Trong cơ thể người, hiện tượng tạo liên kết tương tự không chỉ có ở dịch khớp mà còn có trong rất nhiều mô liên kết”.

Các thiết bị nhân tạo trước đó đều quá to để có thể thâm nhập vào các cấu trúc mạng lưới chặt khí của phân tử hyaluronan. Vì vậy, Debora Schamel khá hài lòng với kết quả của cô và cộng sự. Cô nói: “Lần đầu tiên chúng ta có một nano-robot đủ nhỏ để bơi qua mạng lưới bó chặt này.” Chiếc tàu ngầm tí hon có khả năng hoạt động và vận chuyển thuốc không chỉ trong môi trường dung dịch hyaluronan. Các dung dịch môi trường khác có thể kể đến là dịch thủy tinh thể, màng nhầy và cả máu. Fischer phát biểu một cách thận trọng: “Về mặt lý thuyết, với kích thước của các thiết bị do chúng tôi phát minh, chúng có thể sẽ được dùng để hoạt động trong lòng tế bào”. Tất nhiên, để đạt được điều này, trước tiên cần tìm được cách đưa các tàu ngầm siêu nhỏ vào trong tế bào.

Tóm lại, vẫn còn nhiều thứ phải làm trước khi các điều trị y học miêu tả trong bộ phim viễn tưởng Fantastic Voyage trở thành hiện thực.q

Viết Vũ (theo: www.scitechdaily.com)

Số 166 (12/2014)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Nhà tài trợ

vaa logo

CorporateLogo Colo CFBr

Liên kết & Quảng cáo

 
 

 

 
 




 


 



Sửa biến tần

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết