Implantaten en kleine machines kunnen uiteindelijk in ons lichaam werken om ziekten te helpen behandelen of activiteiten te monitoren, maar het is lastig om ze met elkaar te laten communiceren. Nu hebben EPFL-wetenschappers een systeem ontwikkeld waarin apparaten kunnen communiceren door moleculen vrij te geven in de bloedbaan van een patiënt.

Biomedische implantaten spelen een sleutelrol in de gezondheidszorg en monitoren de activiteit van organen zoals het hart of de hersenen, terwijl recent onderzoek onderzoekt hoe robots op nanoschaal op een dag in het menselijk lichaam kunnen zwemmen of kruipen om ziekten te bestrijden. Maar deze systemen hebben allemaal een communicatieprobleem.

Het is niet alleen onpraktisch om draden in het lichaam te laten lopen, het brengt ook een risico op infectie met zich mee. Draadloze technologieën zoals radio, licht en Bluetooth planten zich echter niet efficiënt voort in menselijke weefsels, wat hun voortplantingsbereik aanzienlijk beperkt.

Nu hebben EPFL-wetenschappers een proof-of-concept-systeem gedemonstreerd dat biomoleculaire communicatie wordt genoemd. Het idee is om micro- of nanorobots en implantaten te laten communiceren door specifieke moleculen in de bloedbaan vrij te geven - in fundamentele zin kan de aanwezigheid van een molecuul door de machine worden geïnterpreteerd als een "1", terwijl de afwezigheid ervan een "0" vertegenwoordigt.

“Biomoleculaire communicatie is het meest geschikte paradigma geworden voor nano-implanteerbaar IoT”, zegt Haitham Al Hassanieh, auteur van het onderzoek. "Het is een ongelooflijk idee dat we gegevens kunnen verzenden door deze in moleculen te coderen, en vervolgens via het bloed met hen kunnen communiceren en hen kunnen vertellen waar ze heen moeten en wanneer ze de behandeling moeten vrijgeven, net als hormonen."

Het synthetische testbed van het EPFL-team, bestaande uit buizen en pompen die bloedvaten en een hart simuleren, demonstreert moleculaire communicatie met behulp van vier emitters / EPFL

Het onderzoeksteam paste elektronische netwerktechnieken, zoals pakketinspectie, kanaalschatting, coderings- en decoderingsschema's, toe op moleculaire netwerken. Dit helpt problemen van de biologie te overwinnen, zoals kanaalinstabiliteit, gebrek aan synchronisatie en feedback.

De onderzoekers testten de technologie in het laboratorium op een synthetisch bloedsomloopsysteem, dat bestaat uit buizen en pompen die bloedvaten en het hart nabootsen. Door middel van tests ontdekten ze dat de technologie moleculaire signalen tegelijkertijd naar maximaal vier apparaten kan verzenden, wat beter presteert dan bestaande technologieën.

Natuurlijk vertaalt succes bij laboratoriumtests zich niet noodzakelijkerwijs in menselijk gebruik in de praktijk, en het team erkent dat er bij levende patiënten nog veel meer factoren een rol spelen. Ze zeggen echter wel dat het een veelbelovende eerste stap is op weg naar het uiteindelijke doel. Andere wetenschappers hebben met succes gegevens overgedragen via ionenuitwisseling in menselijk weefsel.

Dit onderzoek werd gepresenteerd op de ACMSIGCOMM2023-conferentie die in september van dit jaar werd gehouden.