Come una microscopica brigata di secchielli, un microtubulo artificiale può trasportare rapidamente minuscole particelle lungo i trampolini magnetici, consegnandole in una posizione precisa anche quando opera contro una forte corrente.

La tecnologia, sviluppata da un team dell'Università della Pennsylvania e dell'ETH Zürich, potrebbe un giorno facilitare l'erogazione di terapie mirate attraverso il flusso sanguigno per il trattamento di vasi sanguigni bloccati o tumori cancerosi.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Machine Intelligence .

I ricercatori hanno esplorato il potenziale dei microrobot di "nuotare" nel flusso sanguigno come un modo per dirigere i farmaci nel punto esatto in cui sono necessari. Lo svantaggio di questo approccio è che i microrobot che nuotano liberamente faticano a fare progressi contro i complessi flussi di fluidi che esistono all'interno del corpo umano.

"Di conseguenza, vedi spesso la dispersione delle particelle che vorresti fornire", afferma Arnold Mathijssen, autore corrispondente del lavoro e assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn. "Quello che vorresti davvero ottenere è avere la massima concentrazione del farmaco in un sito e non disperderlo altrove, poiché ciò potrebbe causare tossicità".

Cateteri e microaghi sono stati finora le tecniche di scelta per completare questi interventi diretti. Tuttavia, i cateteri possono essere miniaturizzati solo fino a un certo punto prima che manchino della forza di pompaggio necessaria per trasportare carichi microscopici. Allo stesso modo, anche i microaghi sono ancora troppo grandi per raggiungere i vasi sanguigni più stretti.

Per superare questi ostacoli, Mathijssen e colleghi hanno cercato ispirazione nella biologia.

"Quando guardi nella natura, all'interno delle cellule c'è una bella soluzione", dice Mathijssen. "I microtubuli, che fanno parte del citoscheletro, utilizzano motori molecolari per trasportare le vescicole in diversi punti della cellula. Questi motori trovano un modo per affrontare le fluttuazioni del flusso che vediamo nei vasi sanguigni e in altre parti del corpo. Volevamo prova a sintetizzare qualcosa di simile in un ambiente nanotecnologico per vedere se potremmo usarlo come meccanismo di consegna efficiente."

Il loro design di ispirazione biologica era un microtubulo artificiale, fabbricato prima in Svizzera e poi presso il Penn's Singh Center for Nanotechnology. Queste sottili fibre, composte da polimeri reticolati per conferire loro elasticità, sono state inglobate con piastre magnetiche in nichel, intervallate a distanze definite come trampolini di lancio. Appena 80 micron di larghezza, i microtubuli sarebbero abbastanza stretti da scivolare attraverso vasi sanguigni stretti.

L'applicazione di un campo magnetico rotante attorno ai microtubuli artificiali trasforma le pietre miliari in nichel in magneti, lungo i quali un carico di microrobot metallici "cammina", uno dopo l'altro.

"Posizioniamo i microtubuli in un campo magnetico rotante, proprio come una macchina per la risonanza magnetica", afferma Mathijssen. "Se ruoti lentamente il campo, le particelle si muovono lentamente e quando ruoti più velocemente anche le particelle accelerano."

C'era un "punto debole" nell'intensità del campo magnetico, hanno scoperto gli scienziati; ruotando troppo velocemente le particelle scivolavano sulla superficie e si disperdevano lontano dal microtubulo.

Negli esperimenti che hanno testato le prestazioni del meccanismo di trasporto in reti simili a vasi sanguigni, il team di ricerca ha scoperto che le microparticelle potrebbero viaggiare lungo la fibra dei microtubuli anche se soggette a forti flussi di fluido, sintonizzati per replicare il dinamismo del flusso sanguigno. Rispetto alle tecnologie esistenti, la consegna del microcargo è avvenuta rapidamente, un ordine di grandezza più veloce. E le regolazioni fini del campo magnetico hanno assicurato che il carico potesse essere consegnato con precisione nel luogo previsto, anche in reti di navi complesse.

Non solo questa nuova innovazione attinge dalla natura, ma Mathijssen osserva che a sua volta può fornire informazioni su come funzionano i sistemi biologici. Lui e i suoi colleghi hanno osservato che, quando le microparticelle si muovevano tra i trampolini di lancio, si autoassemblavano, formando grumi, ciascuno legato a uno dei trampolini di lancio. Alla fine le particelle assemblate si sarebbero spinte a vicenda in uno sforzo collettivo. Mentre alcuni altri gruppi hanno suggerito che ciò potrebbe verificarsi all'interno delle cellule per migliorare il trasporto citoscheletrico, questo lavoro fornisce la prima prova sperimentale del principio di propulsione.

"A volte costruisci qualcosa in laboratorio e può dirti qualcosa di nuovo sulla biologia", dice.

Per applicare questa strategia di trasporto delle microparticelle nella vera parola, i ricercatori stanno immaginando di sostituire il nichel, che è tossico, con altri materiali, come l'ossido di ferro, che è già approvato dalla FDA per uso interno. Stanno anche mantenendo una mente aperta sui modi in cui i microtubuli potrebbero essere utilizzati. La somministrazione mirata di farmaci e la rimozione della placca dai vasi sanguigni sono applicazioni ovvie, ma Mathijssen sta anche immaginando i vantaggi di una fibra bidimensionale. Avvolto intorno ai dispositivi medici. Un tale dispositivo potrebbe fornire antimicrobici per prevenire la crescita di pericolosi biofilm batterici.

"Riteniamo che queste 'microautostrade per microrobot' possano fornire una soluzione alternativa ai microrobot a nuoto libero e ad altre tecnologie attuali", afferma, "portando un robusto microtrasporto biomedico molto più vicino alla realtà". + Esplora ulteriormente

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