Новая математическая модель улучшает навигацию микро и нанороботов в кровотоке

Модель учитывает свойства и поведение крови в организме человека

Микро/нанороботы (МНР) уже давно считаются перспективным инструментом в области здравоохранения, способным значительно улучшить методы лечения различных заболеваний, от устранения смертельных мозговых кровотечений до борьбы с опухолями с помощью точной химиотерапии. Однако, несмотря на их потенциал, область МНР всё ещё испытывает трудности с перемещением внутри человеческого тела, что препятствует широкому использованию и клиническим испытаниям.

Новое исследование, проведённое профессором инженерного колледжа Университета Саскачевана (USask) доктором Крисом Чжаном и его командой, может помочь преодолеть эти ограничения. Они разработали высокоточную математическую модель, которая оптимизирует конструкцию МНР, улучшая их навигацию и позволяя эффективно перемещаться по кровотоку. Работа была опубликована в журнале Nature Communications.

Источник: DALL-E

«Существующие модели для этих роботов не учитывают свойства и поведение движения крови в организме человека. Наша модель более точна и отражает реальную ситуацию с реалистичным движением кровеносного сосуда», — пояснил д-р Чжан.

Идея создания эффективных МНР пришла к д-ру Чжану более десяти лет назад, когда дочь бывшего аспиранта перенесла кровоизлияние в мозг и операцию. «В то время показатель успешности при использовании управляемого катетера составлял всего 25%, поэтому для моей группы это стало мотивацией сделать что-то, что может и повышать показатели выживаемости пациентов с МНР», — сказал он.

МНР, имеющие форму штопора и управляемые через внешнюю магнитную систему, нуждаются в достаточной мощности, чтобы двигаться против течения крови. Их небольшой размер позволяет достигать отдалённых областей, включая очень маленькие кровеносные сосуды внутри мозга или неоперабельную раковую опухоль, где они могут восстанавливать ткани, останавливать опасное кровотечение или доставлять вещества для химиотерапии или другие лекарства непосредственно в место, где эти препараты наиболее эффективны.

Результаты моделирования и экспериментальной скорости движения MNR. Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51518-z

Благодаря новым математическим идеям д-р Чжан и его команда продвинулись в области МНР, создав структуру, которая может служить основой для оптимального проектирования и управления этими небольшими, но мощными роботами. Они не только разработали эффективные МНР и внешний блок питания, но и создали прототип с использованием технологии 3D-печати.

После демонстрации потенциала своего прототипа д-р Чжан говорит, что следующим шагом станет переход к клиническим испытаниям, последнему препятствию для всех МНР. «Мне нравится такая кооперативная среда, особенно в здравоохранении. Мой родной факультет — машиностроение, но я очень активно занимаюсь биомедицинской инженерией, которая является междисциплинарной, поэтому я работал со многими врачами в Медицинском колледже. В исследованиях нужны разные точки зрения», — сказал он.

Эта новая математическая модель может стать значительным шагом вперёд в области микро/нанороботов, позволяя преодолеть ограничения, которые ранее мешали их широкому использованию, и приблизив их к клиническим испытаниям и практическому применению в здравоохранении.