Микродвигатели защитили лекарства от действия желудочного сока
Американские ученые разработали микродвигатели, которые нейтрализуют кислоту в желудке и высвобождают лекарства при заданном значении кислотности. Результаты работы опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Кислая среда в желудке необходима для денатурации пищевых белков и нормальной работы расщепляющего их фермента пепсина. Она также убивает многие поступающие с пищей микроорганизмы. Помимо этого, кислота в желудке нейтрализует многие лекарственные препараты. Такие лекарства предохраняют от ее действия, помещая их в кишечнорастворимую оболочку. Однако для кислоточувствительных препаратов, действующих непосредственно в желудке (например, антибиотиков, которые применяют для лечения язвенной болезни), такой метод защиты не подходит. Поэтому их назначают в комбинации с ингибиторами протонного насоса (калий-протонной АТФ-азы), которые блокируют синтез кислоты обкладочными клетками желудка. Однако эти препараты, особенно при длительном использовании, имеют серьезные побочные эффекты, что ограничивает их применение.
В поиске альтернативного метода доставки лекарств к желудочной стенке сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали микродвигатели, использующие в качестве топлива кислоту и нейтрализующие ее в процессе работы. Основой такого микродвигателя является магниевая сфера диаметром около 20 микрометров. Эти сферы помещают на стеклянную подложку и покрывают 10-нанометровым слоем золота так, чтобы контактирующий со стеклом участок сферы остался без покрытия. На золотой слой наносят слой рН-чувствительного полимера, который содержит лекарство и высвобождает его при заданном значении кислотности (рН больше 5,5).
При попадании в желудок непокрытый золотом магний вступает в реакцию с протонами кислоты, в результате чего образуются пузырьки газообразного водорода. Благодаря реактивной силе этих пузырьков, микродвигатели активно перемещаются по желудку со средней скоростью 60 микрометров в секунду, нейтрализуя очередные протоны. В течение менее чем 20 минут они повышают рН до заданного уровня (ингибиторам протонного насоса для этого необходимо около часа), после чего полимер распадается, высвобождая лекарство.
В эксперименте на мышах пять миллиграммов микродвигателей за 20 минут повысили среднее значение рН в желудке животных с 1,88 до 7,81, после чего высвободили флуоресцентный краситель. За счет движения микросфер доставка препарата в различные участки слизистой оболочки желудка была более эффективной и равномерной, чем при пассивной диффузии. Нейтрализующий кислоту эффект был дозозависимым (2,5 миллиграмма повышали рН до 4,24; 10 миллиграммов — до 9,43).
Эксперимент также показал полную биосовместимость микродвигателей: никаких побочных эффектов их применения при гистологическом исследовании зарегистрировано не было. Кислотность желудочного сока возвращалась к нормальным показателям в течение суток.
На основании полученных результатов разработчики назвали свои микродвигатели привлекательной альтернативой ингибиторам протонного насоса (можно добавить — во всем, кроме стоимости).
Интерес к этой разработке могут повысить данные, полученные недавно американским научным коллективом. Ученые установили, что ингибиторы протонного насоса нарушают работу лизосом — клеточных органелл, которые очищают клетку от отслуживших и дефектных структурных элементов. Из-за этого происходит преждевременное старение эндотелия (внутренней оболочки) сосудов, которое, в свою очередь, повышает риск деменции, инфаркта миокарда и почечной недостаточности.
Олег Лищук
Он надежно обхватывает хрупкие предметы, не повреждая их
Инженеры из Японии и Вьетнама разработали мягкий манипулятор ROSE, способный бережно захватывать хрупкие предметы, не повреждая их. Он состоит из мягкой воронкообразной оболочки, напоминающей цветок розы, которая способна скручиваться, равномерно обхватывая предмет, оказавшийся внутри. Благодаря своей универсальности и прочности манипулятор может пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая. Доклад с описанием конструкции был представлен на конференции Robotics: Science and Systems, 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Чтобы робот мог безопасно взаимодействовать с хрупкими объектами, его обычно оснащают манипуляторами, в конструкции которых присутствуют мягкие материалы. Нередко их устройство в той или иной степени имитирует анатомию человеческой руки. Например, пальцы трехпалого захвата EndoFlex с внутренней стороны покрыты мягким силиконом. Однако для управления манипуляторами такого типа обычно требуются несколько актуаторов и сложные алгоритмы позиционирования, которые позволяют подстраивать пространственное положение пальцев и руки в соответствии формой и положением захватываемого предмета. Кроме это, сила прикладывается к объекту неравномерно и только в точках соприкосновения с пальцами, поэтому ее может оказаться недостаточно для удержания. Манипулятор, разработанный инженерами под руководством Ван Ан Хо (Van Anh Ho) из Японского национального института передовых промышленных наук и технологи, имеет более простую конструкцию и для полноценной работы достаточно только одного актуатора. Принцип его работы напоминает раскрытие цветка розы, поэтому разработчики дали ему название ROSE. Рабочая часть манипулятора представляет собой прочную оболочку из силиконовой резины (первые повреждения на изогнутом краю появились только после 400 тысяч циклов срабатывания), которая образует двустенный стакан. Внешняя часть оболочки прикреплена нижней частью к круглому пластиковому основанию с отверстием в центре, а внутренняя воронкообразная поверхность к вращающемуся цилиндру, вставленному в центральное отверстие основания. При вращении внутренней оболочки относительно внешней происходит сжатие манипулятора. Если при этом во внутренней полости оказывается предмет, то он равномерно обхватывается с боков. Усилие и площадь обхвата можно регулировать с помощью угла закручивания оболочек относительно друг друга, а также нагнетанием давления воздуха в пространство между стенками стакана. Для изучения характеристик манипулятора его присоединили к роборуке UR5. Испытания показали, что захват может выдержать максимальную нагрузку около 328 Ньютон при собственной массе захвата 49 грамм, что дает значение соотношения грузоподъемности к весу примерно 6800 процентов от массы захвата вместе с ротором. Манипулятор может бережно и безопасно обхватывать хрупкие предметы различной формы и размеров не нанося им повреждений. В экспериментах использовались стальные шары, фрукты, клейкая лента, банка с кофе и куриное яйцо, которое захват легко вытащил из миски с оливковым маслом, что довольно трудно осуществить, так как из-за масла яйцо становится скользким. Кроме этого, ROSE может захватывать и сыпучие материалы, например, гравий и гальку. https://www.youtube.com/watch?v=E1wAI09LaoY Инженеры придумали способ, с помощью которого манипулятору можно добавить способность «чувствовать» захватываемый предмет. Для этого они разместили множество небольших меток с внутренней стороны оболочки. Их положение контролируется с помощью компьютерного зрения через три небольшие камеры, закрепленные на пластиковом основании манипулятора. По мнению разработчиков, ROSE мог бы пригодиться в сельском хозяйстве для сбора урожая и не только. В будущем они планируют продолжить работу над математической моделью деформации оболочки при скручивании. Иной тип мягкого манипулятора продемонстрировали инженеры из Австралии. Он способен ухватывать предметы, обвиваясь вокруг них как щупальце осьминога.