Крохотный краб из металла соберет живые клетки

При создании своих новых микроинструментов инженеры из университета Джона Хопкинса в Балтиморе (Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland) черпали вдохновение в строении тела членистоногих. Лапки их микрощипцов, в развернутом состоянии напоминающих снежинку, имеют по три сочленения. При помощи температурного или химического воздействия они могут смыкаться, захватывая свою цель. А так как в основном они состоят из никеля, то передвигать их внутри организма можно при помощи точно регулируемого магнитного поля. Следить же за передвижением инструмента медики смогут с помощью современных томографических методов – компьютерной томографии и магниторезонансной томографии, которые в настоящий момент уже имеют достаточное разрешение.

«Мы представляем крохотный и недорогой инструмент, который может работать в теле, ведь он нетоксичен, -- комментирует изобретение Дэвид Грациас, доцент Инженерной школы Уайтинга (Whiting School of Engineering) университета Джона Хопкинса, руководитель проекта. -- Мы можем дистанционно передвигать микрощипцы на сравнительно длинные дистанции внутри ткани без использования непосредственной направляющей. Это важный первый шаг к созданию новых типов биохимически чувствительных и, возможно, даже автономных хирургических инструментов микро- и наноразмеров. Они смогут помочь врачам диагностировать болезнь и лечить ее более эффективным и менее инвазивным способом».

Как это работает

Никелевые тело и лапки микрокраба покрыты золотом, которое инертно по отношению к химической среде человеческого тела. А вот сочленения лапок сделаны из двуслойной тонкой пленки меди и хрома. Механические характеристики этой пленки таковы, что в нормальном состоянии она держит лапки согнутыми, а для того чтобы ее выпрямить, необходимо это тонкопленочное металлическое сухожилие растянуть. В растянутом состоянии ее удерживает специальный полимер – третий слой пленочки-сочленения.

При нагреве до 40°С -- температуры, безопасной для тканей человека, полимерная пленка растягивается, ослабляя крепление. В этот момент щипцы сжимаются и захватывают кусочек ткани, как рука, ловящая бейсбольный мяч.

Имитация биопсии

Ученые провели несколько опытов, чтобы проверить возможности инструмента. Сначала они поместили крабика в суспензию из крохотных бусинок в воде. У них получилось с помощью крабика собрать несколько окрашенных бусинок из массы неокрашенных. Затем они провели опыт с живыми клетками животных. Инженеры поместили кусочек ткани на дно капиллярной трубочки, куда «провели» своего краба с помощью магнитного поля, и отобрали образец клеток. Этот опыт представлен на видеоролике.

Клетки, собранные крабом, еще в течение 72 часов после изъятия из трубочки оставались живыми. Так что микрощипцы действительно могут отбирать образцы тканей или опухолей без повреждения. А значит, могут быть использованы для медицинских анализов.

Также микрощипцы успешно выполнили опыт по отбору образца клеток из сравнительно грубой и жесткой ткани мочевого пузыря коровы.

Это крохотное и довольно сложное устройство инженеры создали с помощью фотолитографии. Метод давно используется для производства микросхем, то есть хорошо изучен и легко масштабируется. А значит, наладить массовое недорогое производство таких беспроводных хирургических микрощипцов несложная задача.

Это и удачные лабораторные опыты позволяют ученым с надеждой смотреть в будущее своего изобретения. Однако предстоит решить еще массу проблем. В первую очередь необходимо придумать, как научить краба отдавать собранный материал. Сейчас он может только один раз закрыться, так что извлечь полученный образец из его объятий довольно сложно.

Технологический краб

В предыдущей своей работе команда Грациаса уже представляла подобный инструмент. Он создан для нужд промышленности и способен осуществлять дистанционную микросборку. Сжимание и разжимание промышленных микрощипцов инициируется химическими процессами. Сначала щипцы «расправлены» и в таком состоянии наводятся на цель. Для захвата нужной частицы, то есть сжимания краба, в рабочую среду вводится уксусная кислота. Она растворяет полимер, удерживающий суставы ножек от сжимания. Чтобы высвободить деталь, в среду добавляют перекись водорода, которая растворяет пленку меди. Тонкая хромовая пленка оказывается неспособна удерживать лапки сжатыми, так что краб отпускает свою добычу. Этот опыт вы можете видеть во второй части видеоролика.

Однако подобный химический метод не подходит для использования в человеческом теле. Во-первых, нужное количество кислого раствора, к тому же локально, ввести сложно. Во-вторых, кислая среда повредит живые клетки. Поэтому ученым необходимо придумать что-нибудь новенькое.

Время у них для этого есть – экспериментаторы получили грант в $1,5 млн от Национального института здоровья (National Institutes of Health) и планируют сотрудничество с медиками из Института нанобиотехнологий (Institute of NanoBioTechnology) университета Хопкинса. А сделанные изобретения уже запатентованы и описаны в пресс-релизе на сайте университета.