Biyomedikal

Armağan YalgınBiyomedikal Teknolojiler ABD, Ege Üniversitesi

Yüksek Lisans ÖğrencisiDanışman: Doç Dr. Evren Homan Gökçe

Teknolojilerinde

Nanorobotikler

22.04.2015

• Robot Teknolojisi

• Nanoteknoloji

• Nanomateryal

• Robot teknolojisi

• Nanoteknoloji Tarihi

• Uygulama Alanları

• Nanorobotikler

• Moleküler motorlar

• Yapısı-İşlevleri

• Biyomedikal alanda kullanımları

Robotik Teknoloji

• Robot, otonom veya önceden programlanmış görevleri yerine getirebilen elektro-mekanik bir cihazdır.

• Robotik, makine, yazılım, elektronik, bilgisayar ve kontrol mühendisliği gibi dallarının ortak çalışmasıyla meydana gelmiş cihazların meydana getirdiği alanın adıdır.

• Kontrol, sensöre dayanan geri bildirim ve bilgi işleme kapasitesi olan cihazlardır.

• Güç Kaynağı, Sensörler, Motorlar , ve Kumanda sistemi sayesinde Hareket yeteneği, Manipulasyon, Seyir ve Çevre ile etkileşim yeteneklerine sahip olabilirler.

• Genellikle bir robotik sistemin gelişmişliği; Otonom Seviyesine göre değerlendirilir.

Cerrahi ekipman olarak 3 ana bölümden oluşan ve bilgisayar temeline dayanan minimal invaziv (en düşük düzeyde zarar vererek)cerrahinin uygulanmasını sağlayan robotik sistemdir.

Tıp Alanında Kullanılan Robotlarda Vinci Robotik Sistem

Tıp Alanında Kullanılan Robotlar

Özafageal muayenesi için fotoğraf ve video çekim kabiliyetinde

Pill Cam

Forgione A., In vivo microrobots for natural orifice transluminal surgery.Current status and future perspectives, Surgical Oncology, 2009.

Laparoskopik kolesistektomi ve trans-gastrik işlemler için mikro-robot

In-vivo endoskopi için görüntüleme, aydınlatma ve operasyon mikro-robotları

Nanoteknoloji

• Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir, “cüce” demektir.

• Nanometre, metrenin milyarda birini (1nm = 10-9m) ifade etmektedir.

• Göreceli olarak bir kağıt 100.000 nanometre kalınlığındadır. • Bu nanoteknolojinin ne kadar küçük boyutlarda çalıştığının en iyi göstergelerindendir.

• Nanoteknoloji 1 -100 nm aralığındaki maddenin boyutlarını kontrol ederek yeni benzersiz uygulamalar geliştirme yoludur. Bu şekilde Bilim, mühendislik ve teknoloji, nanoteknolojinin görüntüleme, ölçme, modelleme ve madde manipülasyonuna bu boyutlarda izin vermektedir.

• Nanoteknolojinin Bilim ve Mühendislik alanında inovasyon yaratacağı ve sınırsız imkanları önümüze sereceği tahmin edilmektedir. (American Chemistry Council Nanotechnology Panel)

(National Nanotechnology Initiative)

Nanomateryal• Nanomateryaller , çapları metrenin milyarda biri olan maddelerden oluşmuş yapılardır.

• Nanomateryaller sıradan ince materyaller değillerdir.

• Bu boyutlardaki yapılar; yapıyı oluşturan maddenin, atomlarının özellikleri , kuantum mekaniği dahilinde etkilere sahiptir.

• Bu nedenle bu yapılara “kuantum materyaller” de denilmektedir.

• Farklı boyutsal durumdaları nanomateryallerin çoğuna yüksek derecede

Elektriksel iletkenlik,

magnetiklik,

ısı ,

optik özellikler sağlamaktadır.

http://www.nanocenter.hu/nanotechnology

Tarihi

1959– “There is plenty of room at the bottom” R. Feynman

1974– “Nanoteknoloji Terimi”- Prof. Taniguchi ilk defa nanoteknoloji terimini kullandı.

1981–IBM firması, Taramalı Tünelleme Mikroskobunu geliştirdi.

1985– “Buckyball”- Rice Üniversitesi bilim adamları C60 atomunun futbol topu benzeri moleküler keşfettiler.

1986– “Engines of Creation”-Nanoteknoloji üzerine ilk kitap K. Eric Drexler tarafından. Binnig, Quate and Gerbe Atomik Kuvvet Mikrokobunu icat ettiler.

1989– IBM, atomlardan kendi logosunu oluşturdu.

1991– S. Iijima tarafından Karbon Nanotüpler keşfedildi.

1999– “Nanomedicine”–R. Freitas tarafından ilk nanotıp kitabı yazıldı.

2000– National Nanotechnology Initiative kuruldu

1960, William McLellan mikromotor (0.5mm)

Uygulama Alanları• Tıp ve Sağlık Sektörü

• Malzeme ve İmalat Sektörü

• Nano-Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri

• Havacılık ve Uzay Araştırmaları

• Çevre ve Enerji

• Biyoteknoloji ve Tarım

• Savunma Sektörü

Nanotaşıyıcılardan Farkı

• Hareket kabiliyeti

• Aktiflik derecesi (Çoklu görev) (Görüntüleme-Tanı-Tedavi)

• Programlanabilirlik

• Serbestlik derecesi

• Aç-Kapa

KONTROL

Nanorobotikler

• Nanorobotikler; dizayn, fabrikasyon, ve programlamanın içinde olduğun bir kaç mikronluk yapılar ile programlanabilir birleşme (assembly) sağlayabilen nano ölçekteki yapılara verilen isimdir.

• Nanorobotikler, 0,1-100 mikrometre ölçekli cihazlar ile mühendislik disiplini içinde nanorobotlar tasarlama ve inşa etmek ve aynı zamanda nano ölçekte moleküler bileşenler üretmektir.

• Nanobot, nanoid, nanit, nanomakinalar veya nanomit gibi isimler nanorobotları tanımlamak için kullanılırlar.

• Nanorobotlar, Moleküler makinalar benzeri yapılardır.

(Nanorobots,NEMS and Nonassembly; PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 11, NOVEMBER 2003)

• Nanorobotlar hakkındaki en detaylı tartışma aralarında algılama, güç iletişimi, navigasyon, manipülasyon ve yerleşik hesaplama gibi özel tasarım konularını da kapsayan, Medical Nanomedicine adı altında Robert Freitas tarafından yapılmıştır.

• Bu tartışmalardan bazıları inşa etme seviyesinin altında kalarak, detaylı mühendislik seviyesine yükselemez.

• Sebep olarak yapısal olarak sentetik nanorobotların fabrikasyonu teknolojik olarak ilerleme gerektirmektedir.

• Günümüz teknolojisi ne kadar ileri gözükse de nanorobotları sentetik olarak inşası henüz tam anlamıyla gerçekleştirilmemiştir.

Nanorobotikler

Moleküler Makinalar-Motorlar• Moleküler motorlar, yaşamsal yapıların hareket etmesi sağlayan biyolojik makinalardır.

• Genel anlamda motor terimi; enerinin bir formunu başka forma «harekeret» dönüştüren yapılardır.

• Bir çok protein-bazlı mm ATP’nin hidrolizi sonucu açığa çıkan kimyasal enerjiyi kullanarak mekanik olarak hareket sağlar.

• Makro motorlar ile moleküler motor arasindaki en önemli fark;

MM termal banyolarda, belirli termal gürültülerin belirgin olduğu dalgalanmalar yardımıyla çalışırlar.

80 Kelvin’de, Gümüş yüzeyde, 3 molekül ile nanoskopik por oluşturularak molekülün

dönmesi sağlanıyor. 6,7 nm çapında (STM)Feringa ve arkadaşları tarafından kimyasal olarak dönebilen moleküler motor.

Doğal Moleküler makinalar-motorlar

Sentetik Moleküler makinalar-motorlar

Nanorobotların İşlevleri• Sanayi ve endüstri de hızlı üretim,

• Süper bilgisayarlar,

• Çevre kirliliğinin önlenmesi ve geri döndürülmesi,

• Kemik onarımı,

• Kardiyak arterlerin açılması,

• Hastalık yaratan genlerin in aktif hale getirilmesi,

• Hasarlı doku onarımı,

• İlaç taşınımı ve salınımı,

• Dental bakım ve onarımı,

• Hızlı ve yüksek kesinlik oranına sahip tanı-teşhis ve tedavi,

• Medikal alandakiler dolaşım sistemin dolaşarak kanserli hücreleri öldürebilir, metabolik artıkların ,

yabancı ve fazla maddelerin maddelerin uzaklaştırması...

Nanorobotların YapısıNanorobotlar boyutları 0.1-100 mikron aralığında olabilen, nanomalzemelerden üretilmiş mikroskobik cihazlardır.

<Algılayıcı(Sensör) <Moleküler Rotor <Enerji Kaynağı

<Hareket Parçaları <Data bölümü <Yük depoları <İşlevsel kollar

Sensör

Çevresinde bulunan fiziksel yada kimyasal yoğunluğu algılayıp sinyale dönüştürebilme yeteneğindeki yapıdır. Bu

kısım genellikle elektronik enstrümandır.

Moleküler Motor

Nanorobotun en önemli bölümlerinde biri motor kısmıdır. NR işlevine göre değişkenlik gösterir.

Enerji Kaynağı

Pasif yada aktif hareket edebilme yeteneğine göre enerji kaynağı taşıyabilir veya çevre ortamında bulunan bir yapıyı

enerji kaynağı olarak kullanabilirler.

Hareket Parçaları

Pasif yada aktif yer değiştirebilme yeteneklerine göre yüzgeç kanatlar, yön değiştirmelerini sağlayabilen pervaneler

veya hareketli kollar.

Data bölümü

Görüntüleme, tanı, tespit amaçlı olanlarda hedefi tanımak ve bilgiyi iletmek üzere bilgi depolama.

Yük depoları

Hedef organ, doku, hücre ya da hastalıklı birime ulaştırmak üzere taşıdığı ilaç, protein, RNA dizisi için veya ortamda

bulunan ajanlardan toplanıp-örnek alınması için yük depoları.

İşlevsel kollar

Tutunma, enjeksiyon doku yada hücre içine girme, delme, parçalama

Yönlendirme

Dışsal (External)• Ultrasonik sinyaller; Hasta vücuduna ultrasonik sinyaller göndererek NR ilgili yere gitmeleri

sağlanabilmekte. Sinyaller vücut için geçere yada NR geri yansır.• Manyetik Alan; MRI cihazını kullanarak NR yerini belirleme, yönlendirme ve takip

gerçekleştirilebilmekte.(Domuz arterin geçiş)• Radyo-aktif izotop; Dolaşım sistemine işaretli boya enjekte edilip NR ve geçtikleri yol

Floroskop ile izlenebilmektedir. (3 Boyutlu olarak haritalandırma)• Diğer metodlar; X-Ray, Radyo dalgaları, Mikrodalgalar ve Sıcaklık.

İçsel (Internal)• Kimyasal Sensörler; yardımıyla spesifik kimyasalları arayarak doğru noktaya

yönlendirilebilmektedirler.• Spekroskopik Sensörler; yardımıyla çevre dokularları analiz ederek doğru yolu takip edebilirler.

Enerji

İçsel (Internal)Bazı NR enerjilerini direk kan akışından sağlayabiliyorlar.• Elektrotlar yerleştirilmiş bir NR kandaki Elektrolitler sayesinde enerji elde edebilmektedirler.• Kan da bulunan kimyasalları kullanarak Kimyasal reaksiyonlar ile enerji elde edebilmektedirler.• Kendi depolarında olan küçük miktardaki bileşikleri kan ile reaksiyona sokarak enerji elde

edebilmektedirler.• Hastanın vücut ısısını kullanarak Seebuck effect (Termoelektrik) ile enerji elde edebilirler.• Daha küçük kapasitörler üretebildiğimizde NR içi uygun bataryalar geliştirmemiz mümkün

olabilecektir.

Dışsal (External)• Dışarıdan fiziksel kuvvet uygulayarak kontrol edilebilenler NR ile enerji kaynağı birbirine

bağlıdır.• Dıştan enerji uygulanacağı için en az efor ile ve vücuda hasar vermeden gerçekleştirilen

yöntemler ile gerçeklemektedir.• Elektromanyetik alanlar, Fiber optikler, Ultrasonik sinyaller ile (Mikro dalgalar ısı yükseltip

hasar oluşturabilir.)

NanorobotTeknolojileri

Braitenberg AracıVehicles: Experiments in Synthetic Psychology (MIT Press 1984)Araçlar: Sentetik Fizyolojide Deneyler kitabında Valentino Braitenberg «Araçlar’ı» basit içsel yapılardaki değişikliklerin nasıl beklemedik kompleks davranışlara dönüştüğünü gösteren deneylerini anlatmaktadır.

• Deneydeki araçların ihtiva ettiği yapay zekaya dayanan davranışlar ve bilişsel oluşum gerekmeksizin basit araçların dahili hafızaya ihtiyaç duymadan çevre-içindeki ajanlar ve basit sensörlü motorlar ile zeka varlığı benzeri davranışlar sergileyebileceğidir.

• Araçların gösterdiği merkezi kompleks beyin içermeksizin basit etkileşimlerden kompleks davranışların meydana gelebileceğidir.

• Braitenberg Araçları 2 Motor ve 2 Sensör’den oluşmaktadır.

Respirosit (Respirocyte)Yapay kırmızı kan hücresi yada Respirosit kan da yüzebilen 1 mikron çapında yakıt olarak glukoz kullanan ve dokulara kırmızı kan hücrelerinden 236 kez daha (birim başına) fazla oksijen götürerek kandaki karbonik asit seviyesini düzenleyebilen TEORİK bir nanorobottur.

Üzerinde nanobilgisayar, kimyasal ve basınç sensörleri bulunan bu cihaz programlanabilir yada doktorlar tarafından dışarıdan verilen akustik dalgalar ile kontrol edilebilir.

Kan hastalıkları, solunum yetersizlikler, yeni doğan rahatsızlıkları gibi alanlarda kullanılabileceği ön görülmüştür. Daha ileriki teknolojiler ile geliştirilerek; tanı yöntemlerinde, beyin ameliyatlarında, immün sistem yardımcısı olarak hatta DNA sekansının tekrar düzenlenebileceği söylenmiştir.

Will Soutter

Manyetik Alan ile çalışan Mikro-robotlar

Bakteri yardımıyla hareket ettirilen Nanorobot

Mag-μBotStar shapedMag-μBot

CPS-Medium Serratia marcescens

Nanorobotlarda Yapay Kamçı ile Hareket

Bakteriobot

• Biotin, S. typhimurium ile inkübe edilmiştir.

• Rhodamine içeren mikrobeadler streptadivin ile kovalent oluşturmuşlardır.

• Her iki yapı beraber şekilde 30 dk inkübe edildikten sonra S. typhimurium. bakterisinin mikrobead ile bağlandığı konfokal lazer mikroskobu ile gözlenmiştir

• Dünyanın ilk Kanser tedavi eden robotu (patentli)

• Bakteri tabanlı nanorobot• Kemoterapiye alternatif yöntem

Bakteriyel Nanorobot

Katyonik nanopartikül kaplama plasmid DNA ve Salmonella bakterisini fagositozundan ve g.i. Sistemin pH farkından koruyarak dolaşım sistemine daha hızlı geçmesini sağlıyor. VEGFR2 otolog olarak kodlanmasına yardımcı hibrid vektör faktörü taşınarak, T-hücrelerine aktivasyonu ve sitokin üretiminin artmasını sağlanıyor.

Nano-araba (Nano-car)

10 Kasım 2011

4x2 nm boyutlarındaki moleküler araba, bakır yüzey üzerinde Taramalı Tünelleme Mikroskobu

yardımıyla tekerlekleri aracılığıyla hareket edebilmektedir.

Dünyanın En Hızlı Nano-Motoru

Üretilen nanomotor, bir jet motoru kadar hızlı ve 15 saat süre ile çalışabilmektedir.

Teknolojinin insan hücrelerinde ilaç taşınımı çalışmalarında kullanılması hedeflenmiştir.

Mikro-roket

• Şimdilik DNA nanorobotlar 12 farklı insan hücresinin yanı sıra katı tümör yapılarını ve lösemi ile ilişkili beyaz kan hücrelerinin tanımlayabilmekteler.

• İlk test, son aşama lösemisi olan ve 2015 yazında öleceği öngörülen bir hasta üzerinde yapılacaktır.

• Hayvan deneylerine dayanarak nanorobotların tüm kanser yapısını 1 ay da ortadan kaldırabileceği bekleniyor.

• Bu testler erken aşama araştırması olmanın yanında bu teknolojinin halka açık - kullanılır hale gelmesinin yıllar olmasına rağmen yine de bu tip bir teknolojinin medikal alandaki tanı ve tedaviye bakış açısını tamamiyle değiştireceği düşünülmektedir.

Nanorobot Yarışı

Teknolojinin gelişmesiyle uzay ve nükleer silah alanında yarışlar ortaya çıkmıştır. Aynı

durum nanorobotlar için de söz konusudur.

Araştırma enstitüleri ve üniversiteler nanorobotik lab. kurup, 2 milyar doları bulan geniş

kaynaklı bütçeler ile nanocihazların medikal alanda kullanımına olanak sağlayacak yollar

aramaktadırlar.

General Electric, Hawlett-Packard, Northrop Grumman ve Siemens gibi şirketler son zamanlarda

nanorobotların araştırılması ve geliştirilmesi konusunda çalışan büyük şirketlerden bazılarıdır.

Yatırımcılar ticaret açısından bu konuya önem vermektedirler.

Nanorobotlar üzerine birçok patent günümüzde sahibini bulmuştur.

Sonuç olarak• İleri teknoloji ile yetenekleri ve kullanım alanları arttırılarak canlı vücudu içinde

her türlü iyileştirmeyi ve onarımı gerçekleştirebilirler.

• Yaşlandırmanın etkilerini azaltabilir-yaşam süresini uzatabilirler.

• Hastalık, tanı ve tedavi sürecini hızlandırabilirler.

• Minimum etkin madde ile maksimum ve yan etkisiz tedavi sağlayabilirler.

• Kalp, karaciğer, beyin gibi vücuttaki tüm organların haritaları kısa bir sürede

çıkartılabilirler.

• İnsan bedeninin yeteneklerini ve sınırlarını arttırabilirler.

GelecekteNanoteknolojinin ilerleyip daha küçük boyuttaki, nanomalzemeleri daha iyi kontrol edebildiğimizde,• Medikal alanda insan bedenin haritalanması, hastalıkların iyileştirilmesi ve

önlenmesi, yetenek ve sınırlarının geliştirilmesi haricinde;• Doğa dostu ve hızlı üretim,• Ozon tabakasının yenilenmesi,• Genetiği değiştirilmemiş, hızlı ve hastalıksız büyüyen tarım mahsülleri yetiştirilmesi,• Kimyasal ve nükleer olarak kontaminasyona uğramış toprakların iyileştirilmesi gibi

bir çok alanda kullanılacaklardır.

Kaynaklar• ncbi.nlm.nih.gov/pubmed• nanolab.me.cmu.edu• nanocenter.hu/nanotechnology• americanchemistry.com/nanotechnology• nanolab.me.cmu.edu• msrl.ethz.ch• nanorobotdesgin.com• sciencedaily.com/• nanotechnology.americanchemistry.com• howstuffworks.com• wikipedia.com• imdb.com• bostondynamics.com• honda.com

Dinlediğiniz İçin Teşekkür Ederim.