פריצות דרך האחרונות בייצור תוספים עברו מעבר הדפסה תלת-ממדית סטטית, המציגה מימד משתנה: זמן. האבולוציה, המכונה הדפסה 4D, מעצימה אובייקטים להדפסה עצמית, או שינוי תכונות בתגובה לטריגרים סביבתיים שנקבעו מראש.אחד היישומים המבטיחים ביותר הוא בפיתוח של microbots רפואיים ממותקים, המסוגלים לבצע מכשירים חד-אישיים של תרופות, או באופן אישי, אשר יכולים ליצור טיפולים חדשים של מחלות אישיות.

מה הם 4D הדפסה וצורה-Shifting Microbots?

הדפסה 4D מצטברת על הדפסה 3D קונבנציונלית על ידי שילוב מימד רביעי: זמן. בעוד הדפסה תלת מימדית מארגנת אובייקטים סטטיים שכבת על ידי שכבה ממודל דיגיטלי, הדפסה 4D משתמשת בחומרים שיכולים לפתח את הגיאומטריה או תפקודם לאחר ייצור.הטרנספורמציה מופעלת בדרך כלל על ידי גירויים חיצוניים כגון שינוי טמפרטורה, לחות, אור, pH או שדות מגנטיים.

מיקרובוטים משינוי צורה הם רובוטים מיניאטורות, לעתים קרובות מדידות ממספר מיקרומטרים לכמה ממילימטרים, המיוצרים באמצעות טכניקות הדפסה 4D אלה. הם נועדו לשנות את צורתם, נוקשות או תכונות משטח כאשר נחשפים לרמזים ספציפיים בתוך הגוף. לדוגמה, מיקרובוט עשוי להישאר בצורת קומפקטית, צילינדרים במהלך הזריקה לתוך כלי דם, ואז להתפתח לתוך מבנה דמוי כוכב כדי להתאים את החללים קטנים, כך לאנטיים של תאים מורכבים.

הסעיף הרביעי של הדפסה 4D ו- Microbot fabrication

כיצד הדפסה 4D עובדת בפיתוח מיקרובוט

בלב של 4D--prints הוא הדהור המדויק של חומרים חכמים בדפוסי מיקרו-קליק. מדענים משתמשים בדרך כלל במודלים עיצוביים ממוחשבים שקודמים לא רק את הצורה הסופית אלא גם את רצף הטרנספורמציות. במהלך הדפסה, חומרים עם תגובה שונה ממוקמים במקומות אסטרטגיים כך שכאשר גורם מוחל, נפיחות שונה, התכווצות או מתקפל מתרחשת לעתים קרובות הדפסה רב-חומרית, שבו הוא עדיין נוקשה על פני מולקולה אחת, אך ורק על פני מולקולה אחת, אך ורק על פני טמפרטורות קשיחות, אך ורק על פני השטח.

עבור יישומים רפואיים, ההדקים חייבים להיות ביו-תואמים ובטוחים. Common גירויים כוללים חום גוף (כ 3 ° C), שינויים pH מקומיים (למשל, הסביבה החומצה של גידולים), או אור כמעט-בקרוב-אדום (אשר חודר רקמות) כמה עיצובים משתמשים בשדות מגנטיים יישומיים חיצוניים כדי לגרום לשינוי וגם להנעה, שילוב פעולה עם שליטה.

טכניקות ייצור מתקדמות למיקרובוטים

הפחתת מיקרובוטים פונקציונליים בקנה מידה מיקרומטר דורש שיטות ייצור הרבה יותר מדויק מאשר הדפסה 3D מבוסס קונבנציונאלי. כמה טכניקות מתקדמות מותאמות ל- 4D microprinting:

  • (FLT:0Microstereolithography (μSLREFLT): 1 לייזר מרפא שכבת שרף נוזלי פוטופוימר על ידי שכבה, השגת גדלים תכונה מתחת 10 מיקרומטרים. על ידי ערבוב חומרים חכמים רגישים תמונה לתוך השרף, מבנים מודפסים ניתן לתכנן עם אפקטים בצורת-זיכרון.
  • (FLT:0 Two-Photon Polymerization (2PP): שימוש דופק לייזר של העובר השני כדי לפולימרט נקודה בתוך רזין נוזלי, 2PP יכול לגרור פרטים תת-מיקרומטר - חיוני ליצירת פעימות לייזר מורכבות, מאחזים, או משטחים דמויי סיפיל על microbots.
  • (FLT:0)Direct Ink Writing (DIW): ההרחבה הראשונה של השיטה הזו יוצאת אל מול "החרקים" המכילים חלקיקים חכמים, המאפשרים הדפסים רב-חומריים שבהם דומיינים מגנטיים או מוליכים מוטבעים כדי לאפשר שליטה מרחוק.
  • (FLT:0)Projection Microstereolithography (PμSL): AFPLT:1 מסיכה דינמית מיזמנת שכבות שלמות בבת אחת, להאיץ את הייצור תוך שמירה על רזולוציה גבוהה - שימוש יעיל לייצור צינורות של microbots.

טכניקות אלה, לעתים קרובות בשילוב עם שלבים עיבוד לאחר כגון אנמנלינג תרמי או הידרוג 'לחצה קישור, לאפשר לחוקרים לתכנן רצפים מורכבים של שינויים צורה.למשל, מיקרובוט מודפס עם ציר הידרוג יכול להיות nd כאשר נחשפים למים, ולאחר מכן נוקשה לאחר צולב כימי נוסף, נעיל לתוך תצורה חדשה.

חומרים נהיגה בצורת-שיקוף Capabilities

שם המחבר: Shape-Memory Polymers

פולימרים בצורת-זיכרון (SMPs) הם העורקים של מיקרובוטים רבים מודפסים 4D. חומרים אלה ניתן להיות מופרש באופן זמני לתוך צורה קומפקטית ולאחר מכן מופעל לחזור לצורה קבועה, "מזכר" צורה על חימום מעל טמפרטורת מעבר.ביישומים מיקרובוט, SMPs מאפשרים להיות מוזרק בצורת ישר, צר ומאוחר יותר להרחיב לתוך מאגר תרופות מוגדר מראש או מתמוסס באופן קבוע (סגור) אשר מכיל גם מחסנים SMPLulated).

הידרוגל

הידרוגלים הם רשתות פולימרים הידרופיליות כי נפיחות דרמטית במים, לעתים קרובות על ידי כמה מאות אחוזים. כי הגוף האנושי עשיר מים, הידרוגלs הם תגובה טבעית לסביבות פיזיולוגיות. על ידי שליטה בצפיפות crosslink ושילוב קבוצות רגישות רגישות, הידרוגלס יכול להיות מיוצר כדי ל- pH, או לכווץ בתגובה ל- pH, טמפרטורה, ריכוז גלוקוז, או כוח Ionic למשל, מיקרו-דלקת רגיש למדיה בדיוק עם דלקת נוזלית של חומצה מיקרו-חומצה זעירה של דלקת.

מגנטי ומוליכים Composites

כדי לאפשר שליטה חיצונית, מיקרובוטים מודפסים 4D לעתים קרובות לשלב חלקיקים מגנטיים (כגון תחמוצת ברזל) או פולימרים התנהגותיים.תחת שדה מגנטי אווסציל, תרכובות מגנטיות יכולות לייצר חום באמצעות היסטריה, מה שגורם לאפקטים בצורת-memory - תהליך הנקרא היפרתרמיה מגנטית הפעלה חלופית, שדות מגנטיים יכולים לשמש להיגו או להניע את המיקרו-כימיקלים באמצעות חומרים אלה באמצעות גירויים.

יישומים מרכזיים ברפואה

משלוח סמים ממוקד

אחד השימושים הצפופים ביותר של microbots שינוי צורה הוא במשלוח סמים ממוקד. מינהל סמים מערכתי מסורתי מוביל לעתים קרובות תופעות לוואי עקב חשיפה של רקמות בריאים. מיקרובוטים יכול לשאת עומס סמים מרוכז, לנווט דרך הדם, ולשנות צורה כדי לשכפל ליד גידול או inflamed אתר, לדוגמה, מיקרובוט עשוי להישאר מפואר בעודם, ולאחר מכן לתוך כוכב אווירת סרטן עתיר (למשל, שחרור תרופות עתיר), אך ורקמות), עם סרטן מקומי.

ניתוח פולשני מינימלי

מיקרובוטים משינוי צורה יכולים לשמש ככלי ניתוח שפועל בתוך הגוף ללא cisions גדולים.לדוגמה, מיקרופורר מודפס 4D ניתן להכניס באמצעות catheter בתצורה סגורה, ולאחר מכן נפתח כדי לתפוס ולהסיר אובייקט זר או רקמת ביופסיה. על ידי שימוש ב-SMPs, ה-SMP יכול להיסגר שוב לאחר חימום, הבטחת הדגימה לנסיגה.

אבחון בזמן אמת ובדיקה

מיקרובוטים המצוידים בחיישנים יכולים לפעול כמו בכלים אבחון vivo. על ידי שילוב פולימרים מוליכים שמשנים התנגדות חשמלית בתגובה לסימנים ביולוגיים ספציפיים, הם יכולים לשדר אותות למקלטים חיצוניים.חלק מהעיצובים משתמשים בשינויים צורה כדי לשנות נכס אופטי - לדוגמה, מיקרובוט מודפס 4D אשר מתפתח לתוך משטח דמוי מראה כדי לשקף אור כמעט בלתי צפוי, המאפשר הדמיה אופטית של רקמות עמוקות אלה עשויים להיות מתמוססים לאחר מכן מיקרוטמיים, כי הם עלולים לאחר מכן.

יישומים נוספים

מעבר לשימושים העיקריים הללו, מיקרובוטים בעלי צורה נחקרים עבור:

  • (ב) ניתן להעביר את המסירה וההתרחבות: 1FLT:1 A 4D-printed stent ניתן להעביר בצורה דחוסה ולאחר מכן להרחיב כדי לתמוך עורק צר או דוקטר, עם היתרון של הביודה הדרגתית כדי למנוע השתלים קבועים.
  • (FLT:0) הנדסת פריטים:00bots 1 יכול לשמש כפסלים זמניים שמשנים צורה לצמיחה תאים ישירה או לספק גורמי צמיחה בדפוס זמני.
  • (FLT:0) hyperthermia:FreaLT:1 מקרפלקסים מגנטיים ניתן להשתמש כדי לחמם רקמות מחלות באופן מקומי, להרוס תאים סרטניים תוך כדי ספאם בריאים.

אתגרים ושיקולים אתיים

היפוצים הטכניים

למרות ההתקדמות המהירה, מכשולים רבים נשארים לפני שינוי צורה של מיקרובוטים להיכנס לפרקטיקה קלינית.הבארג מיקרובוטים עם דיוק תת-מיקרומטר על פני אוכלוסיות שלמות קשה; אפילו וריאציות קלות של הרכב החומרי יכול להוביל לשינויים בלתי צפויים. Powering ושליטה במכשירים אלה בתוך הגוף ללא חוטים או סוללות הוא אתגר נוסף - רוב העיצובים הנוכחיים מסתמכים על שדות מגנטיים חיצוניים או אולטרסאונד, אשר יש להם עומק ודיוק מוגבל, כלומר, כלומר, כלומר, כאשר הם עדיין דורשים שינויים חזקים יותר, כאשר הם עדיין נמצאים תחת צורה יציבה, כאשר הם עדיין מתרחשת תחת תפקוד זה דורש שינוי יציב.

זמינות ובטיחות

כל החומרים המשמשים במיקרובוטים רפואיים חייבים להיות לא רעילים, לא-חסנוגניים, ויציבים למשך הטיפול. בעוד הידרוג'ל ופולימרים רבים הם בדרך כלל בטוחים, חלקיקים וממלאים שנוספו לתגובת הצטברות מגנטיים עלולים להוות סיכונים לטווח ארוך לא ידוע. מוצרי דגרדציה חייבים גם להיות לא מזיקים ומפוזרים על ידי הגוף.

בעיות מוסריות ותקנות

האפשרות של מכשירים אוטונומיים או חצי-אוטומטיים הפועלים בתוך הגוף האנושי מעלה שאלות אתיות עמוקות.לדוגמה, על מיקרובוטים להיות נועדו לדה-עצמי לאחר השימוש, ואשר אחראי אם תקלה בחילה?יש חששות לגבי פרטיות נתונים אם מיקרובוטים אוספים מידע בריאותי.בנוסף, הנתיב הרגולטורי למכשירים כאלה אינו ברור - קביעת מסגרות להשתלות רפואיות או מערכות מיקרו-אלקטרוניות (MSMA) כמו מנגנונים דיחומים דינמית, אך אינם יכולים לפתח אבטחה מהירה יותר.

אפשרויות לעתיד ודרכים מחקר

שילוב עם בינה מלאכותית

הדור הבא של microbots שינוי צורה יהיה כנראה לשלב אלגוריתמי למידת מכונה כדי להתאים את ההתנהגות שלהם בזמן אמת.לדוגמה, מיקרובוט יכול לנתח pH מקומי ונתונים טמפרטורה כדי לבחור את התצורה האופטימלית עבור שחרור סמים. כי מחשוב על הסיפון הוא מאתגר בקנה מידה המיקרו, העיבוד עשוי להתרחש באופן חיצוני באמצעות תקשורת אלחוטית, עם המיקרובוט פועל כ"חיישן חכם ופעולה".

Swarm Robotics and Collective Behavior

במקום להסתמך על מיקרובוט אחד, החוקרים צופים כי הם מפעילים חטיפות של אלפי מכשירים זהים שמשתפים פעולה להשגת מטרה רפואית - כגון כיסוי משטח גידול גדול עם עיגוןים הקשורים להורדת סמים.דפסת 4D היא אידיאלית לייצור חרוש, שכן זה מאוד מדרג. התנהגות סובור דורשת אלגוריתמים מתוחכמות ותקשורת אמינה בין מיקרובוטים, אזור פעיל אחר של חקירה.

תרגום עתי

בעוד מחקרים בבעלי חיים הראו הוכחה של תפיסה עבור microbots מודפס 4D, ניסויים קליניים בבני אדם עדיין כמה שנים משם. המחקרים הראשונים-אנושיים צפויים לכוון אתרים נגישים, כגון מערכת העיכול (שם ניתן לבלוע ולאחזר באופן טבעי), או גידולים שטחיים שניתן להגיע באמצעות catheter. מומחים לחזות כי בתוך 5-10 שנים, 4D-D-printed מיוחד טכנולוגיות מיקרו-טומטיות באמת יכול להיות מסוגל להוביל microools אלקטרוניים או צינורות אלקטרוניים.

מסקנה

(הההפצה של טכנולוגיית הדפסה 4D ומיקרובוט מייצגת שינוי פרדיגמטי בעיצוב מכשירים רפואיים – אחד שבו מכשירים אינם עוד שתלים סטטיים, אלא שותפים דינמיים בריפוי.על ידי מינוף של פולימרים בצורת-מדומים, הידרוגלי טבע ומרכיבים מגנטיים, החוקרים הם מכונות אומנות שמתאים במהירות למורכבות של מערכת ההפעלה: 5.F2, בעוד שמשתנים באופן אחראי על ידי חומרים טכניים ואתיים, נותרו פוטנציאל לספק תרופות עם דיוק, ובדיקה יעילה, ובדיקה של תרופות מתקדמות, וכן הלאה, כמו גם מניתוחים של תרופות מרפאות, וכן הלאה, כמו: