Biyomedikal Mühendisliği Profesörü Sam Sia‘nın liderliğinde Columbia Engineering‘te araştırma yapan bir ekip, biyomalzemelerden mikroskopik makinelerin güvenli bir şekilde, vücuda yerleştirilebilmesi için bir yol geliştirdi. Sia, mühendislerin yıllarca araştırdıkları biyolojik uyumlu materyaller olan hidrojellerle çalışarak, yumuşak malzemeyi; üç boyutlu, serbestçe hareket eden parçaları olan cihazlar haline getirerek, yeni bir teknik icat etmiştir. 4 Ocak 2017’de Science Robotics‘te yayınlanan çalışma, Sia’nın “İmplante Edilebilir Mikro Elektromekanik Sistemler” (iMEMS) dediği hızlı bir üretim yöntemini gösteriyor.
Hidrojellerin eşsiz mekanik özelliklerini kullanarak, araştırmacılar; valfler, manifoldlar, rotorlar, pompalar ve ilaç dağıtım sistemleri olarak işlev görebilen, serbestçe hareket eden parçaların, hassas olarak harekete geçirilmesi ve hareketi için “Kilitleme Mekanizması” geliştirdi. Biyomalzemeleri çok çeşitli mekanik ve difüzyon özelliklerinde ayarlayabildiler ve implantasyondan sonra zehirli bir pil gibi sürekli bir güç kaynağı olmadan, onları kontrol edebildiler. Daha sonra, bir kemik kanseri modelinde yük yüklemesini test ettiler ve doxorubicin’in 10 gün boyunca serbest bırakılıp, tetiklenmesinin, standart sistemik kemoterapi dozunun 1 / 10’unda yüksek tedavi etkinliği ve düşük toksisite gösterdiğini tespit ettiler.
Data Science Institute üyesi olan Sia, “Genel olarak, iMEMS platformumuz, talep üzerine kablosuz olarak kontrol edilebilen ve cihaz gücü ve biyouyumluluk sorunlarını çözen, çok çeşitli ve hareketli komponentler ile biyouyumlu implante edilebilir, bu damikro cihazların geliştirilmesini sağlıyor” diyor. “Bu konuda gerçekten heyecan duyuyoruz, çünkü biyomalzemeleri dünyadaki karmaşık, ayrıntılı tıbbi cihazlarla bağdaştırdık. Bizim platformumuzda, hassas tıbbın, uyarlanmış ilaç dozlarının sağlanmasıyla bağlantılı olan, yazımızda gösterilen ilaç dağıtım sistemi de dahil olmak üzere çok sayıda potansiyel uygulama bulunmaktadır. ”
Fazla akım implante edilebilen mikro cihazlar, hareketli parçalardan ziyade statik bileşenlere sahiptirler ve piller veya diğer toksik elektronikler gerektirirler, çünkü sınırlı biyouyumluluk gösterirler. Sia’nın ekibi, sekiz yılı aşkın bir süredir bu sorunun nasıl çözüleceğini araştırıyordu. Sia ile birlikte çalışan, çalışmanın baş yazarı Sau Yin Chin, “Hidrojellerin yumuşak olması ve geleneksel işleme teknikleriyle uyumlu olmaması nedeniyle çalışmak zordur” diyor. “Mekanik özelliklerini ayarladık ve cihaz içinde birbiriyle temas eden yapıların sertliğini eşleştirdik. Kilitlenen dişliler, kuvvet iletimine izin vermek ve tekrarlanan harekete dayanmak için sert olmalıdır. Tersine kilitleme mekanizmaları oluşturan yapılar, çalıştırma sırasında dişlilerin kaymasına izin vermek için yumuşak ve esnek olmalı, aynı zamanda, cihaz çalıştırılmadığında dişlileri yerinde tutacak kadar sert olmalıdırlar. Yüklenen ilaçların hidrojel katmanları boyunca kolayca dağılmamasını sağlamak için hidrojellerin difüzyon özelliklerini de incelendi. ”
Ekip, jel polimerleştirmek için ışığı kullandı ve z eksenini kontrol etmek ve yaprak tabakasını, tabakayla desenlendirmek için üç boyutlu bir hale getiren, bir kademeli mekanizasyon uyguladı. Z eksenini kontrol etmek, araştırmacıların hidrojenin bir katmanı içinde kompozit yapılar oluşturmasına ve üretim sürecinde her katmanın kalınlığının yönetilmesine olanak sağladı. %100 hizalanan, çok katmanlı yığın yapabildiler ve bir katmanın birer birer polimerize edilebilmesinden ötürü, hemen ardına 30 dakika içerisinde kompleks yapı inşa edildi.
Sia’nın iMEMS Tekniği, biyouyumlu mikro cihazlar, mikrometreler ve mikrorobotlar oluşturma konusundaki birkaç temel hususa değinir: zehirli pil kullanmadan küçük robot cihazlarına nasıl güç sağlayabilir; sınırlı biyouyumluluk özelliğine sahip, silikon olmayan, biyolojik olarak uyumlu küçük taşınabilir bileşenler nasıl hazırlanır ve implante edildikten sonra kablosuz olarak nasıl iletişim kurulacağı gibi… (radyo frekansı mikroelektronolojisine güç gerekiyor, nispeten geniş ve biyouyumlu değiller)
Araştırmacılar iMEMS cihazını implantasyondan sonra günler – haftalar boyunca ek yük kaldırmak için tetikleyebiliyorlardı. Aynı zamanda, manyetik kuvvetler kullanarak, yüksek ayarlanabilir özelliklere sahip hidrojellerden yapılmış, yapısal kirişleri büken vites hareketlerini başlatarak, hassas bir şekilde harekete geçmeyi başardılar. (Manyetik demir parçacıkları yaygın olarak kullanılır ve kontrast madde olarak insan kullanımı için FDA onaylıdır.)
Çalışma sırasında Columbia Üniversitesi Tıp Merkezi’ndeki ortopedik Cerrah Francis Lee ile birlikte ekip, kemik kanseri olan farelerde ilaç dağıtım sistemini test etti. IMEMS sistemi, kansere komşu kemoterapi ve sınırlı tümör büyümesi sağlarken, vücuda uygulanan kemoterapiden daha az toksitite gösterdi.
Sia, “Bu mikro ölçekli bileşenler mikroelektromekanik sistemler, ilaç dağıtımından kateterlere, kalp pili cihazlarına ve yumuşak robotiklere kadar daha geniş cihazlar için kullanılabilir” diyor. “İnsanlar zaten değiştirme dokuları hazırlıyor ve şimdi kablosuz olarak konuşabildiğimiz küçük taşınabilir cihazlar, sensörler veya robotlar yapabiliyoruz. IMEMS sistemimiz, insanları ve diğer canlı sistemleri güvenli bir şekilde etkileştirebilen, yumuşak minyatür robotlara bir adım daha yaklaşabilir. ”
NSF KAREER Ödülü, NIH R01 grant(HL095477-05) ve NSF ECCS-1509748 tarafından desteklenen “Yeni nesil implante edilebilir tıbbi cihazlar için hidrojel esaslı materyallerin katkı maddesi imalatı” çalışmasına verildi. Chin, Bilim, Teknoloji ve Araştırma Ajansı (Singapur) tarafından Ulusal Bilim Bursu (Doktora) da verildi. Araştırmacıların beklemede olan bir patenti daha var.
