Trong vũ trụ điện ảnh của series phim truyền hình Doctor Who, đối thủ đáng sợ nhất chính là các sinh vật sống hữu cơ lai robot được gọi là Dalek.

Mỗi Dalek là một sinh vật bên trong lớp vỏ robot được trang bị vũ khí gây chết người, được sử dụng để tấn công London, các thành phố khác hoặc toàn bộ trái đất. Nếu chừng đó đã khiến bạn khiếp sợ, thì bây giờ hãy thử tưởng tượng một nano-Dalek, siêu siêu nhỏ để có thể nhìn thấy, chạy khắp nơi trong cơ thể bạn!

Điều này không hoàn toàn xa vời! Các nhà khoa học hiện đang phát triển một thứ tương tự đáng kinh ngạc. Nhưng ý tưởng không phải là để xâm chiếm và chinh phục, mà là để chữa bệnh.

Hình ảnh chiếc ngầm với kích thước như vi khuẩn được đưa vào não người trong bộ phim Fantastic Voyage năm 1966. Ảnh: 1966 TWENTIETH CENTURY-FOX FILM CORPORATION

Thay vì Doctor Who, các nhà nghiên cứu đã hình dung một cái gì đó giống như phiên bản ngoài đời thực của Fantastic Voyage, bộ phim năm 1966 của Isaac Asimov. Trong câu chuyện đó, các nhà khoa học đã thu nhỏ một chiếc tàu ngầm (có người bên trong) với kích thước của một vi khuẩn, cho phép con người đi vào não của một nhà khoa học đang bị đe dọa tính mạng bởi một cục máu đông. 

Trong phiên bản của thế kỷ 21, các nhà khoa học kết hợp các vi khuẩn sống với một thiết bị có thể vận chuyển thuốc. Theo đó, các robot lai sinh học này có thể di chuyển tự do trong mạch máu, vận chuyển các loại thuốc đặc hiệu cho tế bào ung thư, tháo gỡ các khối máu đông, hoặc thậm chí thực hiện các tiểu phẫu trong cơ thể chúng ta.

Tuy nhỏ nhưng lại có cấu tạo rất tinh vi

Cơ thể con người được cấu tạo phần lớn từ các dịch thể. Máu, tủy sống và các thể dịch khác tạo nên 60 đến 65 phần trăm thể tích cơ thể. Vì thế để có thể di chuyển trong cơ thể người dễ dàng, robot buộc phải “bơi”. Tuy nhiên việc tìm ra những vật liệu thích hợp và thiết kế để robot có thể bơi trong những mạch máu là vấn đề không đơn giản.

Để tìm ra giải pháp cho vấn đề, các nhà nghiên cứu thường tìm đến các ý tưởng từ tự nhiên, đặc biệt là từ các loài ký sinh trùng, những chuyên gia trong việc xâm nhập vào các cơ thể sống.

Nelson - một nhà nghiên cứu về robot tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (Swiss Federal Institute of Technology) - đã tập trung nghiên cứu về Trypanosoma brucei vi sinh vật gây bệnh ngủ Châu Phi. Người mắc bệnh này thường rối loạn giấc ngủ, không ngủ được vào buổi tối.

T.brucei bơi trong dòng máu nhờ đuôi có cấu trúc giống roi được gọi là flagellum. Khi di chuyển, T.brucei đồng thời thay đổi hình dạng cơ thể. Chúng có thể thay đổi hình dạng từ dạng ngắn và tròn sang dạng thon và mảnh để có thể xuyên qua các khe hở giữa các tế bào. Nelson muốn thiết kế một robot có thể thay đổi hình dạng.

Ảnh bên trái: Trypanosoma brucei (màu tím đậm) đang bơi giữa các tế bào máu (màu tím nhạt) là đối tượng mô phỏng của Nelson. Ảnh bên phải: Các microrobot được cấu tạo từ các hạt từ đang xuyên qua thành mạch trong nghiên cứu của Kim. Ảnh: NATURE

Nhóm của ông đã sử dụng vật liệu là hydrogel, một vật liệu có độ bền và độ co dãn rất cao. Khi ở kích thước nhỏ, sự biến dạng của nó có thể được điều khiển thông qua cấu trúc của các lớp vật liệu khác nhau. Các cấu trúc bao gồm một lớp hydrogel có cấu trúc ổn định kết hợp với lớp poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) có thể thay đổi hình dạng khi thay đổi nhiệt độ.

Không giống hướng đi của Nelson, nhóm của Kim ở trường Đại học Southern Methodist ở Dallas đang nghiên cứu để giải quyết vấn đề năng lượng cho microrobot. Kim nhận thấy Borrelia burgdorferi - vi trùng gây nên bệnh Lyme - sử dụng cử động giống như xoắn ốc để bơi và xuyên qua các mô.

Kim sử dụng các hạt từ rất nhỏ để tạo nên robot và đã thử nghiệm sử dụng nam châm để đẩy microrobot qua mạch máu nhân tạo trên đĩa petri. Bằng cách tăng hay giảm cường độ của lực từ, Kim có thể điều khiển robot nhanh hay chậm. Thay đổi hướng của lực điện từ để giúp robot rẽ trái hoặc phải. Kim có thể tạo những chuỗi dài 20 đến 30 hạt từ hoặc chia nó thành nhiều chuỗi nhỏ ngắn khoảng 3 hạt. Ông nói rằng bề mặt của hạt từ có thể phủ các loại thuốc đặc hiệu. Để chữa ung thư, một microbot phải có kích thước khá dài để có thể xuyên qua một lớp mô dày. Sau đó nó có thể vỡ ra thành nhiều mảnh nhỏ để lan truyền thuốc sang các tế bào ung thư bên cạnh.

Trong một ví dụ khác, Tianlong Li và cộng sự tại Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân (Trung Quốc) đã phát triển thành công một robot siêu nhỏ có tên là “nanofish” vì chúng di chuyển giống một chú cá, có thể di chuyển nhẹ nhàng bên trong mạch máu con người để đưa thuốc vào đúng nơi đã định.

Nanofish có đường kính khoảng 200 nanomet (một nanomet bằng một phần tỉ mét), dài 4,8 micromet (1 micromet bằng một phần một triệu mét). Thân cá bao gồm phần đầu và phân đuôi tạo từ vàng, phần thân được tạo từ hai đoạn niken và các đoạn được nối với nhau bằng các phân tử bạc.

Khi đặt cá nano vào từ trường, đoạn niken từ di chuyển từ bên này sang bên kia, tác động đến phần đầu và đuôi, tạo ra chuyển động nhấp nhô đẩy cá nano về phía trước. Tốc độ và hướng của chuyển động có thể được điều khiển bằng cách thay đổi cường độ và hướng của từ trường. Chú cá này sẽ di chuyển dưới tác dụng với từ trường với tốc độ khoảng 30 micromet trên giây.

Cấu tạo của nanofish gồm phần đầu và phần đuôi bằng vàng, 2 đoạn ở thân bằng nickel và các đoạn được nối với nhau bằng bạc. Ảnh: NANO MICRO SMALL

Mặc dù mang lại nhiều tính năng đột phá, nhưng microrobot cũng đặt ra nhiều thử thách lớn cho các nhà khoa học. Đó là việc cân nhắc làm sao phải kết hợp giữa yếu tố y tế và kỹ thuật mà vẫn đảm bảo tính đáng tin cậy và an toàn cho các microbot. Ví dụ, cấu trúc vận chuyển thuốc phải được làm bởi vật liệu không nằm trong “danh sách đen” của hệ thống miễn dịch cơ thể. Có nghĩa là, một khi đã vào cơ thể, các micro phải đảm bảo chúng sẽ không bị xem là mối nguy hiểm và bị hệ miễn dịch tiêu diệt.

Đồng thời, vật liệu vận chuyển cũng không được độc hại đối với các vi sinh vật “đồng hành” cùng chúng cũng như gây khó chịu trong cơ thể chúng ta sau khi đã vận chuyển thuốc thành công. Do đó, các vật thể vận chuyển phải được tiêu hủy an toàn sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Các nhà khoa học đã đưa ra một cách tiếp cận là lắp đặt microrobot với các cảm biến có thể được kích hoạt ánh sáng hồng ngoại nhằm tạo đủ một lượng nhiệt có thể dần tiêu hủy vật liệu mang thuốc.

Lĩnh vực microrobot đang ở những bước đầu trong việc xây dựng thử nghiệm các mô hình và còn rất nhiều thách thức đặt ra về mặt kích thước, kĩ thuật, cũng như độ an toàn khi áp dụng trên người. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu thành công thì cơ hội phát triển của những robot này vô cùng to lớn, nó có thể thay đổi những phương pháp trị liệu truyền thống và đem lại những hiệu quả cực kì cao...

Tag: Microrobot robot vận chuyển thuốc trong mạch máu công nghệ nano trong y học.