SVIZZERAMicrorobot in grado di muoversi all’interno del corpo umano e somministrare farmaci in loco

Uno studio condotto da un team di ricercatori della Scuola Politecnica Federale (ETH) di Zurigo ha portato alla realizzazione di microrobot in grado di muoversi all’interno del corpo umano simulando i movimenti delle larve della stella marina. I robot sono guidati da onde sonore che muovono ciglia sintetiche dirigendo il fluido attorno ad essi, proprio come avviene con il loro equivalente naturale. In futuro, questi micro nuotatori potrebbero trasportare farmaci direttamente alle cellule malate con la massima precisione. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Communications.

Costituzione e funzionamento dei microbot

Queste innovative micro macchine sono destinate a rivoluzionare la medicina. Dello spessore di una frazione del diametro di un capello, infatti, sono fatte per nuotare attraverso l’organismo per fornire farmaci ad aree specifiche ed eseguire le più piccole procedure chirurgiche.
Il design di questi robot è ispirato alle larve delle stelle marine, che utilizzano bande ciliari sulla loro superficie per nuotare e nutrirsi. Il micro 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. Si parla di acustica non lineare quando nell’equazione matematica dell’onda, che descrive la propagazione sonora nel mezzo preso in considerazione, è presente un termine quadratico.
L’aspetto che rende simili le larve con i microrobot, anche se questi ultimi sono circa 10 volte più piccoli, è costituito appunto da 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, che sono disposti in file e battono avanti e indietro in modo coordinato creando vortici nell’acqua circostante. Tali vortici creano un effetto di spinta, facendo avanzare la larva. Dall’altra parte, i vortici attirano il liquido, intrappolando le particelle di cui si nutre la larva.
Le ciglia hanno rappresentato l’elemento chiave del design del nuovo microrobot sviluppato dai ricercatori dell’ETH di Zurigo guidati da Daniel Ahmed, professore di robotica acustica per le scienze e la salute. Per realizzare i microrobot, infatti, gli scienziati hanno adoperato la fotolitografia modellando le bande ciliari con le opportune inclinazioni. Per farle muovere e oscillare hanno applicato onde ultrasoniche da una fonte esterna. Le versioni sintetiche battono avanti e indietro le ciglia più di diecimila volte al secondo, circa mille volte più velocemente di quelle di una larva di stella marina. E allo stesso modo delle larve, 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, dove l’effetto combinato “spinge” il robot in avanti.

I ricercatori hanno dimostrato in laboratorio che i microrobot possono nuotare in linea retta attraverso liquidi come l’acqua. Aggiungendo minuscole perline di plastica all’acqua, si è potuto visualizzare i vortici creati dai bot e il risultato è stato davvero sorprendente in quanto sia le larve di stelle marine che i microrobot generano schemi di flusso praticamente identici.
Successivamente, gli scienziati 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 usata dalle larve di stelle marine. Questa disposizione ha così consentito ai nanorobot di raccogliere particelle e inviarle in una direzione predeterminata.

Applicazioni e prossimi sviluppi della ricerca

Il professor Ahmed è convinto che nel prossimo futuro questo nuovo tipo di microrobot potrà tornare molto utile in campo medico, anche perché il loro funzionamento si basa solo sull’utilizzo degli ultrasuoni, che come è noto offrono importanti vantaggi. Le onde ultrasoniche, infatti, sono già ampiamente impiegate nell’imaging, possono penetrare in profondità all’interno del corpo e non comportano rischi per la salute. Inoltre, si tratta di una tecnologia economica che può essere facilmente adoperata sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo.
Un primo campo di applicazione, secondo Ahmed, potrebbe essere il trattamento dei tumori gastrici. L’assorbimento dei farmaci convenzionali per diffusione è infatti inefficiente, ma avere microrobot che trasportano e depositano un farmaco direttamente nella zona dello stomaco dove si trova il tumore potrebbe rendere più efficiente l’assorbimento del farmaco nelle cellule tumorali e moderare gli effetti collaterali.
La sfida più grande da superare ora è proprio guidare i nanorobot nel posto giusto. Questo richiede che venga generata un’immagine nitida in tempo reale e una delle opzioni che i ricercatori stanno studiando è quella di rendere più visibili i microrobot incorporando agenti di contrasto come quelli già usati nella diagnostica per immagini con gli ultrasuoni.
Fuori dall’ambito medico, poi, i ricercatori pensano anche ad applicazioni legate alla manipolazione di piccoli volumi di liquidi nella ricerca e nell’industria, dove gruppi di ciglia che battono potrebbero eseguire compiti come la miscelazione, il pompaggio e l’intrappolamento delle particelle.