Para peneliti di ETH Zurich telah mengembangkan robot mikro yang mampu mengangkut obat ke lokasi tertentu di dalam tubuh, dengan potensi untuk digunakan di rumah sakit dalam waktu dekat.
Setiap tahun, 12 juta orang di seluruh dunia menderita stroke; banyak yang meninggal atau cacat permanen. Saat ini, obat-obatan diberikan untuk melarutkan trombus yang menyumbat pembuluh darah. Obat-obatan ini menyebar ke seluruh tubuh, artinya dosis tinggi harus diberikan untuk memastikan jumlah yang diperlukan mencapai trombus. Hal ini dapat menyebabkan efek samping yang serius, seperti pendarahan internal. Karena obat-obatan sering kali hanya dibutuhkan di area tubuh tertentu, penelitian medis telah lama mencari cara untuk menggunakan robot mikro untuk mengantarkan obat-obatan ke tempat yang mereka perlukan: dalam kasus stroke, langsung ke trombus yang terkait dengan stroke. Kini, tim peneliti di ETH Zurich telah membuat terobosan besar di beberapa tingkatan. Mereka telah mempublikasikan temuan mereka di Sains.
Diperlukan nanopartikel yang presisi
Robot mikro yang digunakan para peneliti terdiri dari kapsul berbentuk bola yang terbuat dari cangkang gel larut yang dapat mereka kendalikan dengan magnet dan memandu seluruh tubuh ke tujuannya. Nanopartikel besi oksida dalam kapsul memberikan sifat magnetik. Tantangan teknisnya adalah memastikan bahwa kapsul sekecil ini juga memiliki sifat magnetik yang cukup, jelas Fabian Landers, penulis utama makalah dan peneliti pascadoktoral di Multi-Scale Robotics Lab di ETH Zurich.
Robot mikro juga memerlukan zat kontras agar dokter dapat melacak melalui sinar-X bagaimana ia bergerak melalui pembuluh darah. Para peneliti fokus pada nanopartikel tantalum, yang biasa digunakan dalam pengobatan tetapi lebih sulit dikendalikan karena kepadatan dan beratnya yang lebih besar. “Menggabungkan fungsi magnetis, visibilitas pencitraan, dan kontrol presisi dalam satu mikrorobot memerlukan sinergi sempurna antara ilmu material dan teknik robotika, yang membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk berhasil mencapainya,” kata Profesor ETH Bradley Nelson, yang telah meneliti mikrorobot selama beberapa dekade. Profesor Salvador Pané, ahli kimia di Institut Robotika dan Sistem Cerdas, dan timnya mengembangkan nanopartikel besi oksida presisi yang memungkinkan tindakan penyeimbangan yang rumit ini.
Kateter khusus melepaskan kapsul berisi obat
Microrobot juga mengandung bahan aktif yang mereka perlukan untuk dikirimkan. Para peneliti berhasil mengisi mikrorobot dengan obat-obatan umum untuk berbagai aplikasi – dalam hal ini agen pelarut trombus, antibiotik atau obat tumor. Obat-obatan ini dilepaskan oleh medan magnet frekuensi tinggi yang memanaskan nanopartikel magnetik, melarutkan cangkang gel dan mikrorobot.
Para peneliti menggunakan strategi dua langkah untuk mendekatkan robot mikro ke targetnya: pertama, mereka menyuntikkan robot mikro ke dalam darah atau cairan serebrospinal melalui kateter. Mereka kemudian menggunakan sistem navigasi elektromagnetik untuk memandu mikrorobot magnetik ke lokasi target. Desain kateter didasarkan pada model yang tersedia secara komersial dengan kawat pemandu internal yang dihubungkan ke gripper polimer fleksibel. Ketika didorong melampaui pemandu eksternal, gripper polimer terbuka dan melepaskan robot mikro.
Berenang melawan arus – menavigasi pembuluh darah
Untuk mengarahkan mikrorobot secara tepat, para peneliti mengembangkan sistem navigasi elektromagnetik modular yang cocok untuk digunakan di ruang operasi. “Kecepatan aliran darah dalam sistem arteri manusia sangat bervariasi tergantung lokasi. Hal ini membuat navigasi mikrorobot menjadi sangat kompleks,” jelas Nelson. Para peneliti menggabungkan tiga strategi navigasi magnetik berbeda yang memungkinkan mereka bernavigasi di seluruh wilayah arteri kepala.
Hal ini memungkinkan mereka untuk menggulung kapsul di sepanjang dinding pembuluh darah menggunakan medan magnet yang berputar. Kapsul tersebut dapat dipandu menuju sasarannya dengan presisi luar biasa pada kecepatan 4 milimeter per detik.
Dalam model yang berbeda, kapsul digerakkan menggunakan gradien medan magnet: medan magnet di satu tempat lebih kuat dibandingkan di tempat lain. Hal ini menarik robot mikro di dalam wadah menuju medan yang lebih kuat. Kapsulnya bahkan bisa melawan arus – dan dengan kecepatan aliran lebih dari 20 sentimeter per detik. “Sungguh luar biasa betapa banyak darah mengalir melalui kapal kita dan dengan kecepatan tinggi. Sistem navigasi kita harus mampu menahan semua itu,” kata Landers.
Ketika robot mikro mencapai persimpangan di kapal yang sulit untuk bermanuver, navigasi arus ikut berperan. Gradien magnet diarahkan ke dinding bejana sedemikian rupa sehingga kapsul terbawa ke dalam bejana yang benar.
Dengan mengintegrasikan ketiga strategi navigasi ini, para peneliti mendapatkan kendali efektif atas robot mikro di berbagai kondisi aliran dan skenario anatomi. Pada lebih dari 95 persen kasus yang diuji, kapsul tersebut berhasil mengantarkan obat ke lokasi yang tepat. “Medan magnet dan gradien ideal untuk prosedur invasif minimal karena menembus jauh ke dalam tubuh dan –
setidaknya pada kekuatan dan frekuensi yang kita gunakan – tidak memiliki efek merugikan pada tubuh,” jelas Nelson.
Inovasi tidak berhenti pada robotika
Untuk menguji robot mikro dan navigasinya dalam lingkungan yang realistis, para peneliti mengembangkan model silikon yang secara akurat meniru pembuluh darah pasien dan hewan. Model kapal ini sangat realistis sehingga sekarang digunakan dalam pelatihan medis dan dipasarkan oleh spin-off ETH Swiss Vascular. “Model ini sangat penting bagi kami, karena kami berlatih secara ekstensif untuk mengoptimalkan strategi dan komponen-komponennya. Anda tidak dapat melakukan hal tersebut pada hewan,” jelas Pané. Dalam model tersebut, para peneliti mampu menargetkan dan melarutkan bekuan darah.
Setelah banyak uji coba model yang berhasil, tim berusaha menunjukkan apa yang dapat dicapai robot mikro dalam kondisi klinis nyata. Pertama, mereka mampu mendemonstrasikan pada babi bahwa ketiga metode navigasi berfungsi dan bahwa robot mikro tetap terlihat jelas sepanjang prosedur. Kedua, mereka menavigasi robot mikro melalui cairan otak seekor domba. Landers sangat senang: “Lingkungan anatomi yang kompleks ini memiliki potensi besar untuk intervensi terapeutik lebih lanjut, itulah sebabnya kami sangat gembira karena robot mikro juga dapat menemukan jalannya di lingkungan ini.”
Aplikasi di luar oklusi vaskular
Selain mengobati trombosis, robot mikro baru ini juga dapat digunakan untuk infeksi atau tumor lokal. Pada setiap tahap pengembangan, tim peneliti tetap fokus pada tujuan mereka: memastikan bahwa semua yang mereka buat siap digunakan di ruang operasi sesegera mungkin. Tujuan berikutnya adalah memulai uji klinis pada manusia secepat mungkin. Berbicara tentang apa yang memotivasi seluruh tim, ÖLanders mengatakan, “Para dokter telah melakukan pekerjaan luar biasa di rumah sakit. Yang mendorong kami adalah pengetahuan bahwa kami memiliki teknologi yang memungkinkan kami membantu pasien dengan lebih cepat dan efektif serta memberi mereka harapan baru melalui terapi inovatif.”
Referensi
Landers F, Hertle L, Pustovalov V dkk.: Robot mikro magnetik yang siap secara klinis untuk terapi bertarget. Sains 2025, adx1708
