의료 기기는 동물의 왕국에서 디자인 팁을 얻습니다

동물계는 특정 요구 사항을 충족하기 위해 과정과 특성을 조정하기 위해 수백만 년에 걸친 생물학적 진화의 혜택을 누려왔습니다. 과학자와 엔지니어는 생물 영감이라는 접근 방식을 사용하여 생물학의 통찰력을 활용하여 오늘날의 기술 과제를 해결하고 새로운 재료, 장치 및 구조의 설계를 최적화하고 있습니다.

예를 들어, 의료 분야에서 연구자들은 사마귀 새우의 놀라운 눈을 기반으로 수술 영상 시스템을 설계하고, 사용자가 오징어 피부의 적응 특성을 모방하여 체온을 조절할 수 있는 공간 담요를 만들고, 안압을 제작했습니다. 나비의 날개에서 최초로 발견된 광학 특성을 지닌 나노 구조를 기반으로 한 센서입니다.

그리고 이번 주에는 인간 건강의 이익을 위해 생물학의 통찰력을 활용하는 두 가지 새로운 연구 결과가 발표되었습니다.

먼저 천산갑은 단단한 비늘로 완전히 덮여 있는 유일한 포유류입니다. 이 비늘은 서로가 아닌 밑에 있는 피부에 연결되어 있으며 솔방울 모양으로 겹쳐서 위협을 받을 때 천산갑이 공 모양으로 몸을 구부릴 수 있습니다. 막스 플랑크 지능형 시스템 연구소의 Metin Sitti와 그의 협력자들이 소형 소프트 의료 로봇을 설계하는 데 영감을 준 것은 바로 이러한 저울입니다.

묶이지 않은 자기 소프트 로봇은 신체 내부에서 최소 침습 의료 시술을 수행할 수 있는 가능성을 제공합니다. 언젠가는 그러한 로봇이 자기장에 의해 접근하기 어려운 지역으로 안내되어 약물을 전달하거나 열을 생성할 수 있을 것입니다. 국소 가열은 출혈을 멈추고, 조직을 절단하거나 심지어 종양을 제거하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 원격으로 열을 생성하려면 견고한 금속 재료를 사용해야 하므로 소프트 로봇의 규정 준수와 안전성이 손상될 수 있습니다.

"장거리에서의 효과적인 원격 가열과 규정 준수 사이의 이러한 본질적인 균형을 해결하기 위해 우리는 자연의 천산갑이 기본 조직층보다 훨씬 더 단단하고 단단한 케라틴 비늘을 가지고 있음에도 불구하고 어떻게 여전히 유연하고 방해받지 않는 움직임을 달성할 수 있는지 관찰했습니다. 케라틴 비늘을 겹치는 구조로 구성함으로써” 연구원들은 Nature Communications에 썼습니다.

이를 염두에 두고 Sitti와 동료들은 부드러운 폴리머 층과 천산갑에서 영감을 받은 금속 요소가 겹쳐진 층으로 구성된 20 x 10 x 0.2mm 크기의 로봇을 설계하고 제작했습니다. 로봇을 저주파 자기장에 노출시킴으로써 연구진은 로봇을 굴려서 움직일 수 있게 만들었습니다. 고주파 자기장에 노출되었을 때 로봇은 30초 이내에 먼 거리(5cm 이상)에서 주문형 가열(70°C 이상)을 제공했습니다.

조직 팬텀에 대한 개념 증명 실험에서 팀은 65mT 회전 자기장이 묶이지 않은 로봇을 작동하고 움직일 수 있으며 가열 저울이 밀랍으로 로봇에 고정된 화물을 선택적으로 방출할 수 있음을 보여주었습니다.

로봇의 임상적 잠재력을 추가로 평가하기 위해 연구원들은 생체 외 돼지 ​​위 내부의 출혈을 시뮬레이션하고 로봇이 출혈 부위로 이동하고 열을 사용하여 출혈을 멈출 수 있음을 시연했습니다. 그들은 또한 종양 회전타원체를 가열 저울과 직접 접촉하도록 배치했는데, 이는 60°C에서 단 5분 동안 열을 가한 후에 회전타원체를 파괴했습니다.

“아직 많은 질문과 기술적 과제가 남아 있습니다. 극복할 수는 있지만 더 많은 시간과 노력이 필요합니다. 여기에는 임상 시나리오에서 이러한 로봇을 배치하는 임상적 유용성과 실용성, 생체 적합성 문제, 제어 및 추적이 포함됩니다.”라고 첫 번째 저자인 Ren Hao Soon은 말합니다. “다음 프로젝트에서는 이 묶이지 않은 로봇을 침대 옆에 더 가까이 밀어넣고 싶습니다. 나는 그러한 로봇이 유용할 수 있는 실제 의학적 필요성을 파악하기 위해 임상의와 긴밀히 협력하고 싶습니다.”

푸른고리문어는 작고 선명한 색상을 갖고 있으며 세계에서 가장 독성이 강한 해양 동물 중 하나입니다. 물린 상처는 먹이의 껍질에 구멍을 뚫고 마비시키는 신경독인 테트로도톡신을 방출합니다. “파란고리문어의 약탈적 행동은 우리에게 국소 약물 치료를 개선하는 전략에 영감을 주었습니다.” 중국 쓰촨 대학교와 저장 대학교의 한 연구팀이 썼습니다.