I microrobot trovano la loro strada
I ricercatori hanno sviluppato un microrobot in grado di trasportare farmaci in punti specifici del corpo, con la possibilità di essere utilizzato negli ospedali nel prossimo futuro
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Ogni anno, 12 milioni di persone in tutto il mondo sono colpite da ictus; molte muoiono o rimangono permanentemente menomate. Attualmente vengono somministrati farmaci per sciogliere il trombo che blocca il vaso sanguigno. Questi farmaci si diffondono in tutto il corpo, il che significa che è necessario somministrare una dose elevata per garantire che la quantità necessaria raggiunga il trombo. Ciò può causare gravi effetti collaterali, come emorragie interne. Poiché i farmaci sono spesso necessari solo in aree specifiche del corpo, la ricerca medica è da tempo alla ricerca di un modo per utilizzare i microrobot per consegnare i farmaci dove è necessario: nel caso di un ictus, direttamente al trombo correlato all'ictus. Ora, un team di ricercatori del Politecnico di Zurigo ha compiuto importanti progressi a diversi livelli. I risultati sono stati pubblicati su Science.
Ecco quanto è piccolo l'ultimo microrobot ETH.
Luca Donati / ETH Zürich
Necessarie nanoparticelle di precisione
Il microrobot utilizzato dai ricercatori comprende una capsula sferica proprietaria costituita da un guscio di gel solubile che può essere controllato con dei magneti e guidato attraverso il corpo fino a destinazione. Le nanoparticelle di ossido di ferro contenute nella capsula forniscono le proprietà magnetiche. "Poiché i vasi del cervello umano sono così piccoli, c'è un limite alle dimensioni della capsula. La sfida tecnica consiste nel garantire che una capsula così piccola abbia anche sufficienti proprietà magnetiche", spiega Fabian Landers, autore principale del lavoro e ricercatore post-dottorato presso il Multi-Scale Robotics Lab del Politecnico di Zurigo.
Il microrobot ha anche bisogno di un agente di contrasto che permetta ai medici di seguire con i raggi X come si muove nei vasi. I ricercatori si sono concentrati sulle nanoparticelle di tantalio, comunemente utilizzate in medicina ma più difficili da controllare a causa della loro maggiore densità e del loro peso. "Combinare funzionalità magnetica, visibilità delle immagini e controllo preciso in un unico microrobot richiedeva una perfetta sinergia tra scienza dei materiali e ingegneria robotica, che ci ha richiesto molti anni per essere realizzata con successo", afferma il professor Bradley Nelson dell'ETH, che da decenni si occupa di ricerca sui microrobot. Il professor Salvador Pané, chimico dell'Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti, e il suo team hanno sviluppato nanoparticelle di ossido di ferro di precisione che consentono questo delicato equilibrio.
Un catetere speciale rilascia una capsula carica di farmaco
I microrobot contengono anche l'ingrediente attivo che devono consegnare. I ricercatori sono riusciti a caricare i microrobot con farmaci comuni per diverse applicazioni: in questo caso un agente che scioglie i trombi, un antibiotico o un farmaco per i tumori. I farmaci sono stati rilasciati da un campo magnetico ad alta frequenza che riscalda le nanoparticelle magnetiche, sciogliendo il guscio di gel e il microrobot.
I ricercatori hanno utilizzato una strategia in due fasi per avvicinare il microrobot al suo bersaglio: in primo luogo, hanno iniettato il microrobot nel sangue o nel liquido cerebrospinale tramite un catetere. Poi hanno utilizzato un sistema di navigazione elettromagnetico per guidare il microrobot magnetico verso la posizione del bersaglio. Il design del catetere si basa su un modello disponibile in commercio con un filo guida interno collegato a una pinza flessibile in polimero. Quando viene spinto oltre la guida esterna, la pinza polimerica si apre e rilascia il microrobot.
Nuotare controcorrente - navigare nei vasi sanguigni
Per guidare con precisione i microrobot, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di navigazione elettromagnetico modulare adatto all'uso in sala operatoria. "La velocità del flusso sanguigno nel sistema arterioso umano varia molto a seconda della posizione. Questo rende la navigazione di un microrobot molto complessa", spiega Nelson. I ricercatori hanno combinato tre diverse strategie di navigazione magnetica che hanno permesso di navigare in tutte le regioni delle arterie della testa.
Questo permette di far rotolare la capsula lungo la parete del vaso utilizzando un campo magnetico rotante. La capsula può essere guidata verso il bersaglio con enorme precisione a una velocità di 4 millimetri al secondo.
In un altro modello, la capsula viene spostata utilizzando un gradiente di campo magnetico: il campo magnetico è più forte in un punto rispetto a un altro. Questo trascina il microrobot nel contenitore verso il campo più forte. La capsula può persino andare controcorrente, a una velocità di flusso considerevole, superiore a 20 centimetri al secondo. "È notevole la quantità di sangue che scorre nei nostri vasi e a una velocità così elevata. Il nostro sistema di navigazione deve essere in grado di resistere a tutto questo", spiega Landers.
Quando il microrobot raggiunge una giunzione nei vasi che sarebbe difficile da manovrare, entra in gioco la navigazione all'interno del flusso. Il gradiente magnetico viene diretto contro la parete del vaso in modo tale che la capsula venga trasportata nel vaso corretto.
Integrando queste tre strategie di navigazione, i ricercatori hanno ottenuto un controllo efficace dei microrobot in varie condizioni di flusso e scenari anatomici. In oltre il 95% dei casi testati, la capsula ha consegnato con successo il farmaco nella posizione corretta. "I campi magnetici e i gradienti sono ideali per le procedure minimamente invasive, perché penetrano in profondità nel corpo e - almeno alle intensità e alle frequenze
almeno alle intensità e alle frequenze da noi utilizzate, non hanno effetti dannosi sull'organismo", spiega Nelson.
L'innovazione non si ferma alla robotica
Per testare i microrobot e la loro navigazione in un ambiente realistico, i ricercatori hanno sviluppato modelli in silicone che riproducono accuratamente i vasi di pazienti e animali. Questi modelli di vasi sono così realistici che ora vengono utilizzati nella formazione medica e commercializzati dallo spin-off del Politecnico di Zurigo Swiss Vascular. "I modelli sono fondamentali per noi, perché abbiamo fatto molta pratica per ottimizzare la strategia e i suoi componenti. Non è possibile farlo con gli animali", spiega Pané. Nel modello, i ricercatori sono stati in grado di colpire e sciogliere un coagulo di sangue.
Dopo numerose prove di successo nel modello, il team ha cercato di dimostrare ciò che il microrobot poteva ottenere in condizioni cliniche reali. In primo luogo, sono riusciti a dimostrare nei maiali che tutti e tre i metodi di navigazione funzionano e che il microrobot rimane chiaramente visibile durante l'intera procedura. In secondo luogo, hanno fatto navigare i microrobot nel liquido cerebrale di una pecora. Landers è particolarmente soddisfatto: "Questo complesso ambiente anatomico ha un enorme potenziale per ulteriori interventi terapeutici, ed è per questo che eravamo così entusiasti che il microrobot fosse in grado di orientarsi anche in questo ambiente".
Applicazioni oltre le occlusioni vascolari
Oltre a trattare la trombosi, questi nuovi microrobot potrebbero essere utilizzati anche per infezioni o tumori localizzati. In ogni fase dello sviluppo, il team di ricerca è rimasto concentrato sul proprio obiettivo: garantire che tutto ciò che viene creato sia pronto per l'uso nelle sale operatorie il prima possibile. Il prossimo obiettivo è quello di iniziare al più presto gli studi clinici sull'uomo. Parlando di ciò che motiva l'intero team, Landers afferma: "I medici stanno già facendo un lavoro incredibile negli ospedali. Ciò che ci spinge è la consapevolezza di avere una tecnologia che ci permette di aiutare i pazienti in modo più rapido ed efficace e di dare loro nuove speranze attraverso terapie innovative."
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Fabian C. Landers, Lukas Hertle, Vitaly Pustovalov, Derick Sivakumaran, Cagatay M. Oral, Oliver Brinkmann, Kirstin Meiners, Pascal Theiler, Valentin Gantenbein, ... Philipp Gruber, Miriam Weisskopf, Quentin Boehler, Salvador Pané, Bradley J. Nelson; "Clinically ready magnetic microrobots for targeted therapies"; Science, Volume 390
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