Il trattamento medico mirato a una parte del corpo sofferente è una pratica antica quanto la medicina stessa. Un cerotto è posto su un ginocchio sbucciato. Le gocce entrano negli occhi pruriginosi. Un braccio rotto entra in un cast.

Ma spesso ciò che ci affligge è dentro il corpo e non è così facile da raggiungere. In tali casi, potrebbe essere necessario un trattamento come la chirurgia o la chemioterapia. Una coppia di ricercatori della divisione di ingegneria e scienze applicate del Caltech sta lavorando a una forma di trattamento completamente nuova:microrobot in grado di somministrare farmaci in punti specifici all'interno del corpo mentre vengono monitorati e controllati dall'esterno del corpo.

"Il concetto di microrobot è davvero fantastico perché puoi portare i micromacchinari proprio dove ne hai bisogno, "dice Lihong Wang, Bren Professor di Caltech di ingegneria medica e ingegneria elettrica. "Potrebbe essere la consegna di farmaci, o una microchirurgia prestabilita."

I microrobot sono un progetto di ricerca congiunto di Wang e Wei Gao, professore assistente di ingegneria medica, e sono destinati al trattamento dei tumori nel tratto digestivo.

I microrobot sono costituiti da microscopiche sfere di magnesio metallico ricoperte da sottili strati di oro e parylene, un polimero che resiste alla digestione. Gli strati lasciano scoperta una porzione circolare della sfera, una specie di oblò. La parte scoperta del magnesio reagisce con i fluidi del tubo digerente, generando piccole bolle. Il flusso di bolle agisce come un getto e spinge la sfera in avanti fino a quando non si scontra con il tessuto vicino.

Da soli, i microrobot sferici di magnesio che possono zoomare potrebbero essere interessanti, ma non sono particolarmente utili. Per trasformarli da una novità in un veicolo per la consegna di farmaci, Wang e Gao hanno apportato loro alcune modifiche.

Primo, uno strato di farmaco è inserito tra una singola microsfera e il suo rivestimento in parilene. Quindi, per proteggere i microrobot dal duro ambiente dello stomaco, sono avvolti in microcapsule in cera di paraffina.

In questa fase, le sfere sono in grado di trasportare droghe, ma mancano ancora della capacità cruciale di consegnarli nel luogo desiderato. Per quello, Wang e Gao usano la tomografia computerizzata fotoacustica (PACT), una tecnica sviluppata da Wang che utilizza impulsi di luce laser infrarossa.

La luce laser a infrarossi si diffonde attraverso i tessuti e viene assorbita dalle molecole di emoglobina che trasportano ossigeno nei globuli rossi, facendo vibrare le molecole in modo ultrasonico. Queste vibrazioni ultrasoniche vengono captate da sensori premuti contro la pelle. I dati di quei sensori vengono utilizzati per creare immagini delle strutture interne del corpo.

In precedenza, Wang ha dimostrato che le variazioni di PACT possono essere utilizzate per identificare i tumori al seno, o anche singole cellule tumorali. Per quanto riguarda i microrobot, la tecnica ha due funzioni. Il primo è l'imaging. Utilizzando PACT, i ricercatori possono trovare tumori nel tratto digestivo e anche tracciare la posizione dei microrobot, che si manifestano con forza nelle immagini PACT. Una volta che i microrobot arrivano nelle vicinanze del tumore, per attivarli viene utilizzato un raggio laser nel vicino infrarosso ad onda continua ad alta potenza. Poiché i microrobot assorbono così fortemente la luce infrarossa, si scaldano brevemente, sciogliendo la capsula di cera che li circonda, ed esporli ai fluidi digestivi. A quel punto, i getti di bolle dei microrobot si attivano, e i microrobot iniziano a sciamare. I getti non sono orientabili, quindi la tecnica è una specie di approccio a fucile:i microrobot non colpiranno tutti l'area mirata, ma molti lo faranno. Quando lo fanno, si attaccano alla superficie e iniziano a rilasciare il carico utile dei farmaci.

"Questi micromotori possono penetrare nel muco dell'apparato digerente e rimanervi a lungo. Ciò migliora la somministrazione dei farmaci, " dice Gao. "Ma poiché sono fatti di magnesio, sono biocompatibili e biodegradabili."

I test su modelli animali mostrano che i microrobot funzionano come previsto, ma Gao e Wang dicono che stanno pianificando di continuare a portare avanti la ricerca.

"Abbiamo dimostrato il concetto che è possibile raggiungere l'area malata e attivare i microrobot, " Gao dice. "Il prossimo passo è valutare l'effetto terapeutico di loro".

Gao dice anche che vorrebbe sviluppare varianti dei microrobot che possono operare in altre parti del corpo, e con diversi tipi di sistemi di propulsione.

Wang afferma che il suo obiettivo è migliorare il modo in cui il suo sistema PACT interagisce con i microrobot. La luce laser a infrarossi che utilizza ha qualche difficoltà a raggiungere le parti più profonde del corpo, ma dice che dovrebbe essere possibile sviluppare un sistema che possa penetrare ulteriormente.