Immagine:il microrobot può essere visto appena a destra della “U” negli Stati Uniti su questo penny americano. (Immagine della Purdue University / Georges Adam).
Gli ingegneri della Purdue University hanno dimostrato in modelli animali vivi che un microrobot rettangolare piccolo come pochi capelli umani può viaggiare attraverso un colon eseguendo salti all’indietro.
Le riprese ecografiche dal vivo mostrano un microrobot che rotola attraverso un colon in vivo. (Video della Purdue University / Elizabeth Niedert e Chenghao Bi).
Perché il robot si ribalta? Perché l’obiettivo è utilizzare questi robot per trasportare farmaci negli esseri umani, in parti del corpo o organi che hanno un terreno accidentato. Il robot è capace anche di ribaltamenti laterali.
Perché un robot che si capovolge per trasportare farmaci? Portare un farmaco direttamente nel sito di destinazione potrebbe rimuovere gli effetti collaterali, come la perdita di capelli o il sanguinamento dello stomaco, che il farmaco potrebbe altrimenti causare interagendo con altri organi lungo il percorso.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Micromachines, è la prima dimostrazione di un microrobot che rotola attraverso un sistema biologico in vivo. Poiché è troppo piccolo per trasportare una batteria, il microrobot è alimentato e controllato in modalità wireless dall’esterno da un campo magnetico.
“Quando applichiamo un campo magnetico esterno rotante a questi robot, ruotano proprio come farebbe un pneumatico per auto su terreni accidentati”, ha affermato David Cappelleri, Professore associato di ingegneria meccanica alla Purdue. “Il campo magnetico penetra anche in modo sicuro diversi tipi di mezzi, il che è importante per l’utilizzo di questi robot nel corpo umano”.
I ricercatori hanno scelto il colon per gli esperimenti in vivo perché ha un punto di accesso facile ed è molto disordinato.
“Spostare un robot intorno al colon è come usare il walker in un aeroporto per raggiungere un terminal più velocemente. Non solo il pavimento si muove, ma anche le persone intorno a te “, ha detto Luis Solorio, assistente Professore presso la Weldon School of Biomedical Engineering di Purdue.
“Nel colon ci sono tutti questi fluidi e materiali che stanno seguendo il percorso, ma il robot si sta muovendo nella direzione opposta. Non è proprio un viaggio facile”. Ma gli esperimenti dei ricercatori hanno dimostrato che questo microrobot magnetico può ruotare con successo in tutto il colon nonostante queste condizioni difficili.
Il team ha condotto gli esperimenti in topi vivi, inserendo il microrobot in una soluzione salina attraverso il retto. I ricercatori hanno utilizzato apparecchiature ad ultrasuoni per osservare in tempo reale come il robot si muoveva.
“Il passaggio a grandi animali o esseri umani può richiedere dozzine di robot, ma ciò significa anche che puoi indirizzare più siti con più carichi utili di farmaci”, ha affermato Craig Goergen, Professore associato di ingegneria biomedica Leslie A. Geddes di Purdue, il cui gruppo di ricerca ha guidato il lavoro su imaging del microrobot attraverso vari tipi di tessuto.
Il laboratorio di Solorio ha testato la capacità del microrobot di trasportare e rilasciare un carico utile di un farmaco in una fiala di soluzione salina. I ricercatori hanno rivestito il microrobot con un finto farmaco fluorescente, che il microrobot ha trasportato con successo attraverso la soluzione con un movimento rotatorio prima che il carico utile si diffondesse lentamente dal suo corpo un’ora dopo.
“Siamo stati in grado di ottenere un rilascio gradevole e controllato del carico utile del farmaco. Ciò significa che potremmo potenzialmente guidare il microrobot in una posizione nel corpo, lasciarlo lì e quindi consentire al farmaco di uscire lentamente. E poiché il microrobot ha un rivestimento polimerico, il farmaco non sarà rilasciato prima di raggiungere una posizione target “, ha detto Solorio.
Le riprese ecografiche dal vivo mostrano un microrobot che rotola attraverso un colon in vivo. (Video della Purdue University / Elizabeth Niedert e Chenghao Bi)
“I microrobot magnetici, fatti a buon mercato di polimero e metallo, non sono tossici e biocompatibili”, ha dimostrato lo studio. Il gruppo di ricerca di Cappelleri ha progettato e costruito ciascuno di questi robot utilizzando le strutture del Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.
“I macchinari di produzione roll-to-roll comunemente usati potrebbero potenzialmente produrre centinaia di questi microrobot contemporaneamente”, ha detto Cappelleri.
I ricercatori ritengono che i microrobot potrebbero agire come strumenti diagnostici oltre a veicoli per la somministrazione di farmaci.
“Da un punto di vista diagnostico, questi microrobot potrebbero prevenire la necessità di colonscopie minimamente invasive aiutando a raccogliere i tessuti. Oppure potrebbero fornire carichi utili senza dover svolgere il lavoro di preparazione necessario per le colonscopie tradizionali “, ha detto Goergen.
Questa ricerca fa parte del Purdue Center for Cancer Research e si allinea con Purdue Engineering Initiatives in Autonomous and Connected Systems and Engineering-Medicine. Il lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation e dal National Cancer Institute presso il National Institutes of Health.
Riferimento: EE Niedert, et al . ” Un sistema microrobot magnetico rotante per applicazioni biomediche “. Micromachines 11 (9), 861 (2020)
