버블봇(Bubble Bots):자동으로 종양을 탐색하는 생체적합성 마이크로봇

로봇공학 및 자동화 내부자

과학자들은 두 가지 유형의 버블봇을 만들었습니다. 이 이미지 상단에 표시된 것은 자성 나노입자로 변형되었으며 외부 자석을 사용하여 종양 표적을 향해 향하게 되었습니다. 하단에 설명된 봇은 표면에 결합된 다양한 효소를 가지고 있으며 화학적 구배를 따라 종양 표적을 독립적으로 찾습니다. (사진=가오랩/칼텍)

마이크로로봇의 잠재력은 엄청납니다. 이러한 소형 물체는 생체지표 감지, 혈전과 같은 물체 조작, 종양 부위에 약물 치료 전달 등 신체 내에서 작업을 수행하도록 설계될 수 있습니다. 그러나 작은 로봇을 효과적이고 생체 적합하며 비용 효율적으로 만드는 방법을 찾는 것은 어렵습니다. 이제 Caltech가 이끄는 팀은 약물 전달을 위한 차세대 마이크로 로봇을 만드는 데 큰 진전을 이루었습니다. 그들은 마이크로 로봇의 구조와 생산 방법을 모두 단순화하는 동시에 로봇을 매우 효과적이고 종양에 직접 접근할 수 있을 만큼 "스마트"하게 만들었습니다.

Caltech와 USC 과학자 팀은 Nature Nanotechnology 저널 2월 2일자에 게재된 논문에서 버블봇과 생쥐의 방광 종양 치료에 대한 성공적인 적용을 설명합니다. .

Caltech의 의료 공학 교수이자 Heritage Medical Research Institute의 조사관인 Wei Gao가 이끄는 팀은 이전에 동물 모델의 초음파 영상 및 자기 유도를 사용하여 소형 3D 프린팅 로봇을 종양에 전달하여 생분해되고 화물인 항암 약물을 방출할 수 있었습니다. 이러한 마이크로 로봇은 특수 장비를 갖춘 클린룸에서 제작되었으며 마이크로 버블을 둘러싼 젤리 같은 폴리머로 만든 하이드로겔 껍질이 특징입니다. 이 껍질은 로봇을 추진하는 데 도움이 되었으며 연구원들이 신체 내에서 로봇을 추적할 수 있도록 탁월한 영상 대비를 제공했습니다.

"우리는 이것을 더욱 간단하게 만들고 거품 자체를 로봇으로 만들면 어떨까요?"라고 생각했습니다. 가오가 말했다. "우리는 쉽게 거품을 만들 수 있고 그것이 생체 적합성이 매우 높다는 것을 이미 알고 있습니다. 그리고 거품을 터뜨리고 싶다면 즉시 터뜨릴 수 있습니다."

팀은 이러한 간단한 버블봇을 만드는 방법을 개발했습니다. 그들은 초음파 탐침을 사용하여 BSA(실험실 실험에서 자주 사용되는 표준 동물 단백질인 소 혈청 알부민)로 구성된 용액을 교반하여 단백질 껍질이 있는 수천 개의 미세 기포를 만들었습니다.

다음으로, 과학자들은 단백질 껍질의 또 다른 특징인 표면에 풍부한 아민 그룹이 있다는 점을 이용했습니다. 아민 그룹은 화학적으로 쉽게 변형될 수 있는 탄소-질소 결합을 특징으로 하는 원자 집합입니다. 연구진은 이러한 아민 그룹에 결합함으로써 움직임을 제어하는 ​​다양한 방법을 갖춘 두 가지 유형의 마이크로 로봇을 만들었습니다. 그리고 독소루비신과 같은 항암제는 두 버전의 표면에 성공적으로 결합할 수 있습니다.

과학자들은 두 버전의 버블봇 표면에 우레아제 효소를 부착했습니다. 우레아제는 로봇을 움직이게 하는 작은 엔진처럼 작동합니다. 이 효소는 로봇의 일종의 바이오 연료 역할을 하며 암모니아와 이산화탄소를 생성하는 몸 전체에서 발견되는 풍부한 폐기물인 요소(urea)와의 반응을 촉매합니다. 우레아제는 기포 표면에 균일하게 분포되지 않기 때문에 시간이 지남에 따라 이러한 제품이 한쪽에 더 많이 쌓이게 됩니다. 이러한 불균형은 거품 주위에 비대칭 화학적 환경을 조성하여 마이크로 로봇을 앞으로 나아가게 하는 순 "밀기"를 생성합니다.

첫 번째 버전에서 팀은 버블봇 표면에 자성 나노입자를 부착하여 자성적으로 반응하도록 만들었습니다. 로봇 내부의 미세 기포에 대한 초음파 영상의 도움으로 버블 로봇은 외부 자석으로 조종되어 신체 내부의 목표를 향해 나아갈 수 있습니다.

그러나 연구자들은 한 단계 더 나아가기를 원했습니다. Gao는 "우리는 로봇을 더욱 지능적으로 만들고 싶었습니다."라고 말했습니다. 종양과 염증이 정상 세포에 비해 높은 농도의 과산화수소를 생성한다는 사실을 알고 팀은 카탈라아제라는 추가 효소를 마이크로 로봇의 두 번째 버전 표면에 결합하기로 결정했습니다. 카탈라아제는 과산화수소와 반응하여 물과 산소를 ​​생성합니다. 화학주성 거동으로 알려진 것을 통해 카탈라아제에 결합된 기포는 자동으로 더 높은 농도의 과산화수소를 향해 이동하여 종양을 향해 조종합니다.

Gao는 "이 경우 영상 촬영이나 외부 제어가 필요하지 않습니다. 로봇은 종양을 찾을 만큼 똑똑합니다"라고 설명합니다. "버블 로봇의 자율적 움직임은 과산화수소 구배를 감지하는 능력과 함께 우리가 화학주성 종양 표적화라고 부르는 표적화로 이어집니다."

버블봇이 목표물에 도착하면 과학자들은 집중 초음파를 적용하여 버블을 터뜨려 치료 화물을 방출할 수 있습니다. 이러한 강력한 파열 작용은 이전에 팀이 사용했던 천천히 분해되는 하이드로겔 로봇에 비해 종양으로의 약물 침투를 향상시킵니다.

과학자들이 항종양 치료제를 전달하기 위해 쥐에게 버블봇을 주사했을 때, 약물만 투여한 쥐에 비해 21일 동안 방광 종양의 무게가 약 60% 감소하는 것을 관찰했습니다.

"이 버블 로봇 플랫폼은 간단하지만 치료에 필요한 것, 즉 생체 적합성, 제어 가능한 동작, 영상 안내, 약물이 종양 깊숙히 침투하도록 돕는 주문형 트리거 등을 통합합니다. 우리의 목표는 항상 마이크로 로봇을 실제 임상 사용에 더 가깝게 만드는 것이었고 이 로봇 디자인은 그러한 방향으로 나아가는 큰 진전입니다."라고 Caltech의 Gao 연구실에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안 작업을 완료한 논문의 주요 저자인 Songsong Tang이 말했습니다.

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