Micro o addirittura nano-robot potrebbero un giorno svolgere compiti medici nel corpo umano. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda hanno ora compiuto un primo passo verso questo obiettivo. Sono riusciti a costruire corpi natatori che soddisfano contemporaneamente due requisiti:sono abbastanza piccoli da essere utilizzati nei fluidi corporei o anche nelle singole cellule, e sono in grado di navigare attraverso fluidi biologici complessi.

Nel film del 1966 Viaggio fantastico, un sottomarino completo di equipaggio viene ridotto di dimensioni in modo che possa navigare attraverso il corpo umano, consentendo all'equipaggio di eseguire un intervento chirurgico al cervello. Questo scenario rimane nel regno della fantascienza, e il trasporto di un'équipe chirurgica in un sito di malattia rimarrà sicuramente una finzione. Tuttavia, minuscoli sottomarini che potrebbero navigare attraverso il corpo potrebbero essere di grande beneficio:potrebbero consegnare farmaci proprio in una posizione target, un punto sulla retina per esempio. E potrebbero rendere possibile la terapia genica in una cellula specifica.

Se le cose vanno secondo Peer Fischer, leader del Micro, Nano and Molecular Systems Research Group presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, quindi i medici nel prossimo futuro invocheranno micro o addirittura nano-robot per svolgere tali compiti. I piccoli aiutanti si dirigerebbero con precisione sui bersagli nel corpo, eliminando la necessità di interventi chirurgici più importanti, oppure effettuando alcune procedure minimamente invasive.

Una capesante microscopica non potrebbe nuotare nell'acqua

Però, ci sono due sfide fondamentali per realizzare questi obiettivi. Ovviamente, tali veicoli devono essere sufficientemente piccoli da essere iniettati nel bulbo oculare, Per esempio, con una siringa. In secondo luogo, una volta introdotto nel corpo, devono essere in grado di muoversi attraverso i fluidi corporei e i tessuti. Su entrambi i fronti, il gruppo di ricerca guidato da Peer Fischer ha ora compiuto notevoli progressi.

Insieme ai ricercatori del Technion in Israele e dell'Università tecnica di Dortmund, il gruppo di Stoccarda descrive in un recente articolo una specie di capesante artificiale di poche centinaia di micrometri di diametro. L'hanno progettato in modo che il dispositivo viaggi nei liquidi semplicemente aprendo e chiudendo i suoi gusci. Questo non è così ovvio come sembra. "Il guscio è solo poche volte più grande dello spessore di un capello umano, " dice Fischer. "Un liquido come l'acqua è viscoso per questi dispositivi quanto il miele o anche il catrame lo è per noi." E con così tanto attrito nei fluidi, movimenti simmetrici, come l'apertura e la chiusura reciproca di una conchiglia, non comporterebbe alcuna propulsione in avanti. I movimenti avanti e indietro causati dai movimenti opposti si cancellerebbero a vicenda.

Per questa ragione, la micro-capesante infatti non si sposterebbe dal punto. Però, perché i ricercatori hanno puntato a lungo termine sull'utilizzo del dispositivo in mezzi biologici, hanno testato il loro nuotatore direttamente in fluidi modello appropriati. Questi hanno caratteristiche che li distinguono dall'acqua. "La maggior parte dei fluidi corporei ha la proprietà che la loro viscosità cambia a seconda della velocità di movimento, "dice Fischer. "Nel liquido sinoviale che si trova nelle articolazioni, Per esempio, le molecole di acido ialuronico si dispongono in strutture reticolari che si traducono in un'elevata viscosità. Ma non appena qualcosa si muove attraverso questo fluido, la maglia molecolare si rompe e il fluido diventa meno viscoso".

Il controllo magnetico viene utilizzato per aprire e chiudere la capesante

Gli scienziati hanno approfittato proprio di questa proprietà del fluido. Controllano la capesante in modo che si apra molto più velocemente di quanto si chiuda. "Questo schema di movimento temporalmente asimmetrico fa sì che il fluido sia meno viscoso durante l'apertura che durante la successiva corsa di chiusura, "dice il dottorando Tian Qiu, un membro della squadra di Stoccarda. Quindi la distanza percorsa dalla capesante in apertura non è la stessa della distanza percorsa all'indietro in chiusura, e questo provoca una netta propulsione in avanti. Questo segna la prima volta che un dispositivo artificiale di queste dimensioni è mai stato in grado di muoversi attraverso i fluidi per mezzo di cicli di movimento simmetrici, dice Tian Qiu.

Per controllare i loro micro nuotatori, i ricercatori hanno integrato minuscoli magneti di terre rare nei due gusci di capesante. Ciò consente loro di controllare come le conchiglie si aprono e si chiudono e, infine, come si muove il dispositivo, applicando un campo magnetico esterno. Però, la scoperta dei ricercatori che i micro-dispositivi possono nuotare attraverso alcuni liquidi con movimenti simmetrici non si applica solo ai micro-robot azionati magneticamente. Infatti, un sottomarino in miniatura a forma di capesante potrebbe anche essere guidato da un attuatore che risponde, Per esempio, alle variazioni di temperatura.

Il vero micro-capesante era fatto di una plastica relativamente dura. La sfida era rendere i gusci estremamente sottili, ma allo stesso tempo abbastanza robusti da rimanere rigidi in un mezzo viscoso.

Gli scienziati, che hanno pubblicato il loro lavoro in Comunicazioni sulla natura , want to put their micro-swimmers to the test in specific biological fluids. "We're interested in the next step, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.

A nano-screw acts as a propeller

This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Però, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Ora, per la prima volta, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Per questa ragione, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, Per esempio, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Theoretically, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

So, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.