01 ไมโครและนาโนหุ่นยนต์

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีหุ่นยนต์อย่างรวดเร็ว หุ่นยนต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในชีวิตประจำวัน และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาและความก้าวหน้าของสังคม ด้วยการพัฒนาของนาโนเทคโนโลยี ไมโคร/นาโนหุ่นยนต์ (ไมโคร/นาโนหุ่นยนต์) ได้กลายเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมาก และสามารถทำงานได้ในระดับไมครอนหรือแม้แต่ระดับนาโนเมตร เนื่องจากขนาดเล็กของหุ่นยนต์เหล่านี้ซึ่งอยู่ในระดับไมครอนหรือนาโนเมตร จึงสามารถเข้าไปในพื้นที่ที่แคบกว่าและสามารถรวมกลุ่มกันเพื่อทำงานร่วมกันเพื่อให้บรรลุภารกิจเฉพาะได้

02 ไมโครหุ่นยนต์ที่บรรจุเซลล์ต้นกำเนิด

เซลล์ต้นกำเนิดที่มีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัยเพื่อการรักษาโรค การรักษาด้วยเซลล์ต้นกำเนิดเป็นการรักษาที่มีแนวโน้มดีสำหรับการซ่อมแซมความเสียหายของเนื้อเยื่อหรืออวัยวะ และเซลล์สามารถตรวจจับและตอบสนองต่อโรคได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยมีผลข้างเคียงต่อร่างกายน้อยกว่าเคมีบำบัดแบบพาสซีฟ อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความท้าทายในการส่งมอบเซลล์ต้นกำเนิดที่มีหน้าที่ไปยังตำแหน่งของโรค และหากใช้เซลล์มากเกินไป จะมีความเสี่ยงที่จะเกิดการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันมากเกินไปเนื่องจากการผลิตไซโตไคน์มากเกินไป

วิธีการส่งมอบที่แม่นยำนี้จะเพิ่มประสิทธิภาพและลดผลข้างเคียงของการรักษาด้วยเซลล์ต้นกำเนิดด้วยไมโครหุ่นยนต์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งสามารถบรรจุเซลล์ต้นกำเนิดและส่งมอบไปยังพื้นที่เป้าหมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื้อเยื่อหรือโพรงที่เข้าถึงได้ยากด้วยปริมาณยาแบบเดิม

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยซิตี้แห่งฮ่องกงได้ใช้การเขียนภาพสามมิติด้วยเลเซอร์เพื่อสร้างโครงสร้างเซลล์เป็นไมโครหุ่นยนต์ที่มีโครงสร้างทรงกลมพรุนคล้ายหนามและตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กสำหรับการขนส่งเซลล์แบบกำหนดเป้าหมายในร่างกาย ไมโครหุ่นยนต์นี้มีพารามิเตอร์โครงสร้างที่ปรับได้ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับขนาดของเซลล์ที่บรรจุเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการบรรจุที่ดีขึ้น

ไมโครหุ่นยนต์ถูกเตรียมโดยใช้การเขียนภาพสามมิติ: สารต้านการถ่ายภาพเชิงลบ SU-8 ถูกเคลือบแบบหมุนบนเวเฟอร์แก้วด้วยความเร็วการหมุนที่เหมาะสม ทำความร้อนล่วงหน้าและทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง โครงสร้างถูกเขียนขึ้นโดยใช้ระบบการพิมพ์สามมิติแบบไมโครและนาโนสองโฟตอน nanocribe และหลังจากการกัดกร่อน การเคลือบด้วยนิกเกิลและไทเทเนียมความบริสุทธิ์สูงจะถูกพ่นเพื่อให้ได้ไมโครหุ่นยนต์ที่ต้องการ

เมื่อความยาวของตารางของโครงสร้างคล้ายกับขนาดของเซลล์ ความสามารถในการบรรจุเซลล์จะสูงสุด นักวิจัยได้ร่วมเพาะเลี้ยงเซลล์สร้างกระดูกจากตัวอ่อนของหนู MC3T3-E1 และเซลล์ต้นกำเนิด mesenchymal (MSCs) กับไมโครหุ่นยนต์ตามลำดับ และได้ไมโครหุ่นยนต์ที่บรรจุเซลล์สองชนิดโดยการปรับพารามิเตอร์การออกแบบ ซึ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของหุ่นยนต์ที่บรรจุเซลล์ MC3T3-E1 มีขนาดประมาณ 70 μm และของหุ่นยนต์ที่บรรจุ MSCs มีขนาดประมาณ 90 μm ผลการทดลองความสามารถในการดำรงชีวิตของเซลล์แสดงให้เห็นว่าหุ่นยนต์ไม่มีความเป็นพิษอย่างมีนัยสำคัญต่อเซลล์ MC3T3-E และ MSCs

ต่อมา นักวิจัยได้ทำการทดลองการตอบสนองต่อแม่เหล็กแบบ ex vivo และ in vivo กับไมโครบอท ในการทดลองโดยใช้ตัวอ่อนปลาซีบรา สามารถสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจนว่าหุ่นยนต์ที่บรรจุ MSC เคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก โดยความเร็วในการเคลื่อนที่จะเป็นสัดส่วนกับความชันของสนามแม่เหล็ก

สุดท้าย นักวิจัยได้ทำการทดลองในร่างกายโดยใช้หนูที่ไม่มีไทมัสเพื่อตรวจสอบว่าไมโครหุ่นยนต์สามารถปล่อยเซลล์ที่บรรจุได้ โดยใช้เซลล์ HeLa ที่ติดฉลากด้วยโปรตีนเรืองแสงสีเขียวเพื่อความสะดวกในการสังเกต ไมโครบอทที่บรรจุเซลล์ HeLa ถูกฉีดเข้าไปที่ด้านหลังซ้ายของหนูที่ไม่มีไทมัส ในขณะที่ไมโครบอทที่ไม่มีเซลล์ถูกฉีดเข้าไปที่ด้านหลังขวาเป็นกลุ่มควบคุม และหลังจากการฟักตัว 4 สัปดาห์ สามารถสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของฟลูออเรสเซนส์ที่ด้านหลังซ้ายของหนู ในขณะที่ไม่พบฟลูออเรสเซนส์ที่ด้านหลังขวา ผลการตรวจทางเนื้อเยื่อแสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่าไมโครบอทที่ฉีดเข้าไปทั้งหมดอยู่ในขอบของเนื้องอก ซึ่งบ่งชี้ว่าเนื้องอกเกิดจากเซลล์ HeLa ที่ปล่อยออกมาจากไมโครบอท

การศึกษานี้ประสบความสำเร็จในการสร้างไมโครหุ่นยนต์ที่ตอบสนองต่อแม่เหล็กซึ่งสามารถบรรจุเซลล์ชนิดต่างๆ ได้ ซึ่งไม่มีความเป็นพิษต่อเซลล์อย่างมีนัยสำคัญและสามารถปล่อยเซลล์ที่บรรจุได้ที่ตำแหน่งเป้าหมาย ข้อจำกัดของการศึกษานี้คือวัสดุที่ใช้ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งมีข้อจำกัดสำหรับการใช้งานในร่างกาย

03 ไมโครหุ่นยนต์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพสำหรับการรักษาข้อบกพร่องของกระดูกอ่อน

ทีมนักวิจัยจากเกาหลีใต้ได้สร้างโครงสร้างเซลล์ที่เหมาะสมสำหรับการบรรจุ MSCs และสามารถย่อยสลายได้ในร่างกาย นักวิจัยได้ใช้นมกรดโพลีแลคติก-ไฮดรอกซีอะซิติก (PLGA) เพื่อสร้างโครงร่างไมโครและดูดซับไคโตซานและเฟอร์รูมออกซีโทลแม่เหล็กบนพื้นผิวเพื่อสร้างไมโครหุ่นยนต์ ผลการทดลองการเพิ่มจำนวนของเซลล์แสดงให้เห็นว่าไมโครหุ่นยนต์นี้ไม่มีผลต่ออัตราการเพิ่มจำนวนของเซลล์

เพื่อประเมินว่าไมโครหุ่นยนต์นี้เหมาะสมสำหรับการสร้างกระดูกอ่อนใหม่หรือไม่ นักวิจัยได้บรรจุเซลล์ต้นกำเนิด mesenchymal จากไขกระดูกของมนุษย์ลงบนไมโครหุ่นยนต์และเพาะเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อที่กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของกระดูกอ่อนเป็นเวลา 21 วัน จากนั้นจึงประเมินการเปลี่ยนแปลงการสร้างกระดูกของเซลล์ต้นกำเนิดโดยใช้การย้อมสี Alcian Blue และการตรวจสอบภูมิคุ้มกันของคอลลาเจนชนิดที่ II ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเซลล์ต้นกำเนิดที่บรรจุบนไมโครหุ่นยนต์เปลี่ยนแปลงไปเป็นคอนโดรไซต์ได้สำเร็จ ทำให้มีศักยภาพที่จะนำไปใช้ในการซ่อมแซมกระดูกอ่อน

นักวิจัยได้นำไมโครบอทที่บรรจุเซลล์ต้นกำเนิดไปใช้ในการทดลองสร้างกระดูกอ่อนใหม่ในข้อเข่าของกระต่าย และในสัปดาห์ที่สามของการรักษา สามารถสังเกตได้ว่าบริเวณที่บาดเจ็บลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และสามารถสังเกตเห็นการเสื่อมสลายของไมโครบอทได้อย่างค่อยเป็นค่อยไปผ่านการย้อมสี Prussian blue ในขณะที่ผลการทดสอบการกระจายของกระดูกอ่อนแสดงให้เห็นว่า MSCs ที่บรรจุไม่ได้หายไปพร้อมกับการเสื่อมสลายของไมโครบอท และได้รับการปลูกถ่ายเข้าไปในบริเวณที่บาดเจ็บของกระดูกอ่อน ซึ่งมีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อการอักเสบ การวัดการแสดงออกของปัจจัย IL-1β, IL-6, IL-8 และ TNF-α ในเยื่อบุข้อต่อ น้ำไขข้อต่อ ต่อมน้ำเหลือง และม้ามไม่แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างกลุ่มที่ได้รับการรักษาด้วยไมโครหุ่นยนต์และกลุ่มควบคุม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าไมโครหุ่นยนต์ไม่ทำให้เกิดการตอบสนองการอักเสบ

ในการศึกษานี้ ไมโครหุ่นยนต์แม่เหล็กสำหรับการบรรจุ MSCs ถูกสร้างขึ้นโดยใช้วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และประสิทธิภาพในการรักษาข้อบกพร่องของกระดูกอ่อนในข้อเข่าของกระต่ายได้รับการตรวจสอบทางการทดลอง การใช้ไมโครหุ่นยนต์สามารถเพิ่มจำนวนเซลล์ต้นกำเนิดที่ตำแหน่งเป้าหมายและประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงได้เมื่อเทียบกับวิธีการฉีดแบบเดิม แต่ถึงกระนั้นก็ยังมีอีกยาวไกลสำหรับการใช้งานทางคลินิกต่อไป และจำเป็นต้องพัฒนาอุปกรณ์ฉีดที่สามารถใช้ในการฉีดไมโครหุ่นยนต์ได้อย่างเสถียร รวมถึงการพัฒนาอุปกรณ์สนามแม่เหล็กที่เหมาะสมสำหรับการสวมใส่ของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม การใช้งานทางคลินิกเพิ่มเติมยังคงต้องใช้เวลาอีกนาน ซึ่งต้องอาศัยการพัฒนาอุปกรณ์ฉีดที่สามารถทำให้ไมโครหุ่นยนต์คงที่ รวมถึงการพัฒนาอุปกรณ์สนามแม่เหล็กที่เหมาะสมสำหรับการสวมใส่ของมนุษย์

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การประยุกต์ใช้ไมโครและนาโนหุ่นยนต์ในทางการแพทย์ประสบความสำเร็จในระดับหนึ่ง และมีการค้นพบใหม่ๆ ในสาขาต่างๆ อย่างไรก็ตาม ยังคงมีข้อจำกัดอีกมากมายที่ต้องเผชิญก่อนที่จะสามารถนำไปใช้ทางคลินิกได้ และโครงสร้างของไมโครและนาโนหุ่นยนต์ยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุงอีกมากมาย และวิธีการขับเคลื่อนของไมโครและนาโนหุ่นยนต์ยังคงต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมต่อไป แต่โอกาสของการประยุกต์ใช้ไมโครและนาโนหุ่นยนต์ในด้านการแพทย์ที่แม่นยำนั้นกว้างไกลมาก และศักยภาพในการใช้ในการวินิจฉัยและรักษาโรคมีมากมาย อย่างไรก็ตาม แนวโน้มของไมโครและนาโนหุ่นยนต์ในด้านการแพทย์แม่นยำนั้นกว้างไกลมาก และการประยุกต์ใช้ในการวินิจฉัยและรักษาโรคมีศักยภาพอย่างมาก ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงชีวิตมนุษย์อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องสามารถนำไปใช้กับร่างกายมนุษย์ได้อย่างสมบูรณ์