I microrobot hanno il potenziale per rivoluzionare la medicina. I ricercatori del Max Planck ETH Center for Learning Systems hanno ora sviluppato una tecnica di imaging che per la prima volta riconosce microrobot di dimensioni cellulari individualmente e ad alta risoluzione in un organismo vivente.

Come è possibile rimuovere un coagulo di sangue dal cervello senza alcun intervento chirurgico importante? Come può un farmaco essere somministrato con precisione in un organo malato che è difficile da raggiungere? Questi sono solo due esempi delle innumerevoli innovazioni immaginate dai ricercatori nel campo della microrobotica medica. Piccoli robot promettono di cambiare radicalmente le future cure mediche:un giorno, potrebbero muoversi attraverso il sistema vascolare del paziente per eliminare tumori maligni, combattere infezioni o fornire informazioni diagnostiche precise in modo del tutto non invasivo. In linea di principio, secondo i ricercatori, il sistema circolatorio potrebbe fungere da via di consegna ideale per i microrobot, poiché raggiunge tutti gli organi e i tessuti del corpo.

Affinché tali microrobot siano in grado di eseguire gli interventi medici previsti in modo sicuro e affidabile, non devono essere più grandi di una cellula biologica. Negli esseri umani, una cellula ha un diametro medio di 25 micrometri:un micrometro è un milionesimo di metro. I vasi sanguigni più piccoli nell'uomo, i capillari, sono ancora più sottili:il loro diametro medio è di soli 8 micrometri. I microrobot devono essere proporzionalmente piccoli se vogliono passare senza ostacoli attraverso i vasi sanguigni più piccoli. Tuttavia, dimensioni così ridotte li rendono anche invisibili ad occhio nudo e anche la scienza non ha ancora trovato una soluzione tecnica per rilevare e tracciare individualmente i robot di dimensioni micrometriche mentre circolano nel corpo.

Tracciamento dei microrobot in circolazione per la prima volta

"Prima che questo scenario futuro diventi realtà e che i microrobot vengano effettivamente utilizzati negli esseri umani, la visualizzazione e il tracciamento precisi di queste minuscole macchine sono assolutamente necessari", afferma Paul Wrede, dottorando presso il Max Planck ETH Center for Learnings Systems (CLS) .

"Senza imaging, la microrobotica è essenzialmente cieca", aggiunge Daniel Razansky, professore di imaging biomedico all'ETH di Zurigo e all'Università di Zurigo e membro del CLS. "L'imaging in tempo reale ad alta risoluzione è quindi essenziale per rilevare e controllare microrobot di dimensioni cellulari in un organismo vivente". Inoltre, l'imaging è anche un prerequisito per monitorare gli interventi terapeutici eseguiti dai robot e verificare che abbiano svolto il loro compito come previsto. "La mancanza di capacità di fornire feedback in tempo reale sui microrobot è stata quindi un grosso ostacolo sulla strada per l'applicazione clinica."

Insieme a Metin Sitti, un esperto di microrobotica leader a livello mondiale che è anche membro del CLS come Direttore del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) e professore di intelligenza fisica all'ETH, e altri ricercatori, il team ha ora raggiunto un importante svolta nella fusione efficiente di microrobotica e imaging. In uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances , sono riusciti per la prima volta a rilevare e tracciare chiaramente minuscoli robot piccoli fino a cinque micrometri in tempo reale nei vasi cerebrali dei topi utilizzando una tecnica di imaging non invasiva.

I ricercatori hanno utilizzato microrobot con dimensioni comprese tra 5 e 20 micrometri. I robot più piccoli hanno all'incirca le dimensioni dei globuli rossi, che hanno un diametro compreso tra 7 e 8 micrometri. Questa dimensione consente ai microrobot iniettati per via endovenosa di viaggiare anche attraverso i microcapillari più sottili nel cervello del topo.

I ricercatori hanno anche sviluppato una tecnologia di tomografia optoacustica dedicata per rilevare effettivamente i minuscoli robot uno per uno, ad alta risoluzione e in tempo reale. Questo metodo di imaging unico consente di rilevare i minuscoli robot nelle regioni profonde e difficili da raggiungere del corpo e del cervello, cosa che non sarebbe stata possibile con la microscopia ottica o qualsiasi altra tecnica di imaging. Il metodo è chiamato optoacustico perché la luce viene prima emessa e assorbita dal rispettivo tessuto. L'assorbimento produce quindi minuscole onde ultrasoniche che possono essere rilevate e analizzate per ottenere immagini volumetriche ad alta risoluzione.

Robot dalla faccia di Giano con strato d'oro

Per rendere i microrobot altamente visibili nelle immagini, i ricercatori avevano bisogno di un materiale di contrasto adatto. Per il loro studio, hanno quindi utilizzato microrobot sferici a base di particelle di silice con un cosiddetto rivestimento di tipo Janus. Questo tipo di robot ha un design molto robusto ed è molto ben qualificato per compiti medici complessi. Prende il nome dal dio romano Giano, che aveva due facce. Nei robot, le due metà della sfera sono rivestite in modo diverso. Nel presente studio, i ricercatori hanno rivestito una metà del robot con nichel e l'altra metà con oro.

"L'oro è un ottimo agente di contrasto per l'imaging optoacustico", spiega Razansky, "senza lo strato dorato, il segnale generato dai microrobot è semplicemente troppo debole per essere rilevato". Oltre all'oro, i ricercatori hanno anche testato l'uso di piccole bolle chiamate nanoliposomi, che contenevano un colorante verde fluorescente che fungeva anche da agente di contrasto. "I liposomi hanno anche il vantaggio di poterli caricare con potenti farmaci, il che è importante per gli approcci futuri alla somministrazione mirata di farmaci", afferma Wrede, il primo autore dello studio. I potenziali usi dei liposomi saranno studiati in uno studio di follow-up.

Inoltre, l'oro consente anche di ridurre al minimo l'effetto citotossico del rivestimento di nichel:dopotutto, se in futuro i microrobot devono operare su animali vivi o umani, devono essere resi biocompatibili e non tossici, il che fa parte di una ricerca in corso . Nel presente studio, i ricercatori hanno utilizzato il nichel come mezzo di azionamento magnetico e un semplice magnete permanente per trainare i robot. Negli studi di follow-up, vogliono testare l'imaging optoacustico con manipolazioni più complesse utilizzando campi magnetici rotanti.

"Questo ci darebbe la capacità di controllare e spostare con precisione i microrobot anche in presenza di sangue che scorre molto", afferma Metin Sitti. "Nel presente studio ci siamo concentrati sulla visualizzazione dei microrobot. Il progetto ha avuto un enorme successo grazie all'eccellente ambiente collaborativo presso il CLS che ha permesso di unire le competenze dei due gruppi di ricerca presso MPI-IS a Stoccarda per la parte robotica e ETH Zurigo per la parte dell'imaging", conclude Sitti. + Esplora ulteriormente

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