Hoe kleiner hoe fijner

Het nichegebied van de nano-engineering werkt momenteel hard aan de volgende grote doorbraak. In dit geval komt die in de vorm van minuscule robots die zich zelfs in de kleinste ruimtes weten te manoeuvreren.

Zomaar een idee: microscopisch kleine, zich zelf voortbewegende robots die in het menselijk lichaam op patrouille gaan. Ze geven op de juiste plek het juiste medicijn, boren zich een weg door schadelijke verkalking en voeren zelfs kleine chirurgische ingrepen uit. We hebben het dan over een leger van altijd oproepbare biologische contractors, die altijd klaar staan een reparatietje aan een stukje weefsel uit te voeren of verbroken verbindingen weer weten te fixen. Een ander ideetje: een horde minuscule stofzuigers die zijn geprogrammeerd om een olievlek efficiënt te absorberen voordat de inheemse dierensoorten en de lokale omgeving onherstelbare schade is toegedaan. Of wie weet zijn ze getraind om een biologische of chemische aanval te neutraliseren door het gevaar eerst detecteren, om zenuwgassen en gif vervolgens af te breken. Dit is de belofte van nanotechnologie. En hoewel de voorbeelden spraakmakend zijn, is het vooralsnog niet meer dan een belofte. Er is namelijk maar een handjevol onderzoeksprogramma’s dat zich bezig houdt met de intrigerende wereld van deze minirobots. Maar het handjevol programma’s dat er is, verlegt wel telkens de grenzen van de mogelijkheden.

In het Massachusetts Institute of Technology heeft Robert Langer nanodeeltjes ontworpen die een effectieve transporteur van krachtige chemotherapiestoffen blijken te zijn. In een kleine test waaraan 17 patiënten met prostaatkanker meededen, bezorgde zijn kleine robots het medicijn veel preciezer aan de kankercellen dan dat de traditionele intraveneuze methode dat deed. Het succes inspireerde Langer’s groep om uitgebreide toedienapplicaties beter te bestuderen. Ze ontwikkelde een apotheek-op-microchip strategie die medicijnen en andere therapeutische hulpstoffen op gezette tijden of op aanvraag leveren, waarbij de besturing middels een smartphone plaatsvindt. “Het is net zoiets als het openen van een garagedeur met behulp van een radiosignaal”, legt Langer uit. “Het signaal zorgt ervoor dat dekseltjes op de bronnen opengaan en de medicijnen vrijkomen.” In een proef met een dergelijke chip in Denemarken kwam bij een groep vrouwen met succes een medicijn voor osteoporosis vrij. Het niveau van toediening kwam overeen met die van dagelijkse toediening middels een injectie. Langer denkt dat de techniek uiteindelijk zal leiden tot slimmere transmissieroutes voor het toedienen van verschillende medicijnen, inclusief insuline of anticonceptiemiddelen.

Hij is niet de enige die de Fantastic Voyage tot realiteit maakt. Jospeh Wang en zijn collega-ingenieurs van de Universiteit van California in San Diego zijn gefocust op het overwinnen van de grootste uitdagingen als het gaat om nanorobots: de aandrijving. Het is een elementair probleem, maar, gezien de gevoelige organische omgeving waarin deze robots zich zullen begeven, niet een met eenvoudige oplossing. Batterijen of brandstoftanks zin geen oplossing. Deze energiebronnen zijn te giftig, te groot en hebben een te korte levensduur. Het dilemma bracht Wang terug naar de basis. Als een nanobot zijn weg in het menselijk lichaam moet gaan vinden, drijft hij hoogstwaarschijnlijk rond in een vloeistof. Dit kan bloed zijn, maar ook de zuren in de maag of andere ingewanden. En wat is nu een betere manier om een apparaat in een vloeistof voort te bewegen dan met belletjes? Net als de onderzeebootjes waaraan kinderen in bad zoveel plezier beleven, heeft Wang buisvormige nanobots ontworpen die waterstofgassen genereren. Er zijn genoeg belletjes om de microbootjes aan te drijven en het hele lichaam te doorkruisen. De doktoren sturen ze op pad middels een magnetisch laagje in het buisje, dat de zorgverleners in staat stelt om ze met een staafje naar de juiste plek te slepen. Zonder te snijden zetten ze de robots aan het werk. “Als nano-engineer maak je kleine machines in plaats van grote”, uit Wang een understatement die bij zijn vakgebied lijkt te horen. Terwijl het meeste werk zich momenteel concentreert op de medische potentie van deze machines, kan hun impact uiteindelijk enorm zijn, met toepassingen die zich ver voorbij het menselijk lichaam bevinden. Het team van Wang werkt samen met de overheid bijvoorbeeld aan een nanobot die aan het werk zal gaan in waterbronnen die zijn geïnfecteerd met zenuwgassen als sarin, uiteraard met als doel de boosdoener op te speuren en te neutraliseren voordat deze schade kan berokkenen.

Voor wat betreft de wat meer commerciële toepassingen kunnen nanobots worden ingezet om naar het binnenste van de aarde worden gestuurd, opzoek naar olie of andere waardevolle mineralen en natuurlijke bronnen. De truck zit hem dan in het aanleren de juiste stoffen te “ruiken” die hen op het juiste pad kunnen zetten. Op een zelfde manier kunnen ze gebieden onderzoeken die te gevaarlijk zijn voor mensen. De oceaanbodem bijvoorbeeld. Of de diepste gebieden in de ruimte. Je zou haast zeggen dat de plekken waar de nanobots aan het werk kunnen alleen beperkt wordt door de fantasie van de ontwerpers. “Als het om nano-engineering gaat heb ik de laatste vijf jaar ontzettend veel vooruitgang gezien”, zegt Wang. Het is onwaarschijnlijk dat deze vorderingen zullen stagneren, zelfs al wordt er slechts nanostapje voor nanostapje gezet.