Un microrobot sviluppato per somministrare farmaci simula i movimenti delle larve della stella marina. Il progetto, portato avanti dai ricercatori dell’ETH di Zurigo, è caratterizzato da da onde sonore e dotato di minuscoli peli che dirigono il fluido attorno ad esso, proprio come il suo modello naturale. In futuro, tali micronuotatori potrebbero fornire farmaci alle cellule malate con la massima precisione.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Communications.
Microrobot: la loro funzione sarà quella di fornire farmaci al nostro organismo con assoluta precisione
Tra gli scienziati c’è un grande interesse per le microscopiche macchine destinate a rivoluzionare la medicina. Questi microrobot, spesso solo una frazione del diametro di un capello, sono fatti per nuotare attraverso il corpo per fornire farmaci ad aree specifiche ed eseguire le più piccole procedure chirurgiche.
I design di questi robot sono spesso ispirati a microrganismi naturali come batteri o alghe. Ora, per la prima volta, un gruppo di ricerca dell’ETH di Zurigo ha sviluppato un design di microrobot ispirato alle larve di stelle marine, che utilizzano bande ciliari sulla loro superficie per nuotare e nutrirsi. Il sistema sintetico attivato dagli ultrasuoni imita le disposizioni naturali delle bande ciliari delle stelle marine e sfrutta l’acustica non lineare per replicare il movimento della larva e le tecniche di manipolazione.
A prima vista, i microrobot hanno solo poche somiglianze con le larve delle stelle marine. Nel suo stadio larvale, una stella marina ha un corpo lobato che misura solo pochi millimetri di diametro. Nel frattempo, il microrobot è un rettangolo e dieci volte più piccolo, solo un quarto di millimetro di diametro. Ma i due condividono una caratteristica importante: una serie di peli fini e mobili sulla superficie, chiamati ciglia.
Una larva di stella marina è ricoperta da centinaia di migliaia di questi peli. Disposti in file, battono avanti e indietro in modo coordinato, creando vortici nell’acqua circostante. L’orientamento relativo di due file determina il risultato finale: inclinare due fasce di ciglia battenti l’una verso l’altra crea un vortice con un effetto di spinta, spingendo la larva. D’altra parte, l’inclinazione di due bande l’una dall’altra crea un vortice che attira il liquido, intrappolando le particelle di cui si nutre la larva.
Queste ciglia sono state l’elemento chiave del design per il nuovo microrobot sviluppato dai ricercatori dell’ETH guidati da Daniel Ahmed, professore di robotica acustica per le scienze della vita e l’assistenza sanitaria. “All’inizio“, ha detto Ahmed, “Volevamo semplicemente testare se potevamo creare vortici simili a quelli della larva della stella marina con file di ciglia inclinate l’una verso l’altra o in allontanamento l’una dall’altra“.
A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato la fotolitografia per costruire un microrobot con bande ciliari opportunamente inclinate. Hanno quindi applicato onde ultrasoniche da una fonte esterna per far oscillare le ciglia. Le versioni sintetiche battono avanti e indietro più di diecimila volte al secondo, circa mille volte più velocemente di quelle di una larva di stella marina. E come con la larva, queste ciglia battenti possono essere utilizzate per generare un vortice con un effetto di aspirazione nella parte anteriore e un vortice con un effetto di spinta nella parte posteriore, l’effetto combinato “spinge” il robot in avanti.
Nel loro laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che i microrobot possono nuotare in linea retta attraverso liquidi come l’acqua. L’aggiunta di minuscole perline di plastica all’acqua ha permesso di visualizzare i vortici creati dal microrobot. Il risultato è sorprendente: sia le larve di stelle marine che i microrobot generano schemi di flusso praticamente identici.
Successivamente, i ricercatori hanno disposto le bande ciliari in modo che un vortice di aspirazione fosse posizionato accanto a un vortice di spinta, imitando la tecnica di alimentazione utilizzata dalle larve di stelle marine. Questa disposizione ha consentito ai robot di raccogliere particelle e inviarle in una direzione predeterminata.
Ahmed è convinto che questo nuovo tipo di microrobot sarà pronto per l’uso in medicina nel prossimo futuro. Questo perché un sistema che si basa solo sugli ultrasuoni offre vantaggi decisivi: le onde ultrasoniche sono già ampiamente utilizzate nell’imaging, penetrano in profondità all’interno del corpo e non comportano rischi per la salute.
Il fatto che questa terapia richieda solo un dispositivo ad ultrasuoni la rende economica, aggiunge, e quindi adatta all’uso sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo.
Lo scienziato ritiene che un primo campo di applicazione potrebbe essere il trattamento dei tumori gastrici. L’assorbimento dei farmaci convenzionali per diffusione è inefficiente, ma avere microrobot che trasportano un farmaco specificamente nel sito di un tumore allo stomaco e poi lo consegnano lì potrebbe rendere più efficiente l’assorbimento del farmaco nelle cellule tumorali e ridurre gli effetti collaterali.
Prima che questa visione possa essere realizzata, resta una grande sfida da superare: l’imaging. Guidare le minuscole macchine nel posto giusto richiede che venga generata un’immagine nitida in tempo reale. I ricercatori hanno in programma di rendere più visibili i microrobot incorporando agenti di contrasto come quelli già utilizzati nell’imaging medico con gli ultrasuoni.
Oltre alle applicazioni mediche, Ahmed prevede che questo design ispirato alle stelle marine avrà importanti implicazioni per la manipolazione di piccoli volumi di liquidi nella ricerca e nell’industria. Le bande di ciglia che battono potrebbero eseguire compiti come la miscelazione, il pompaggio e l’intrappolamento delle particelle.