Di Max Planck Institute for Intelligent Systems Tübingen

I ricercatori del Micro, Nano and Molecular Systems Lab del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, insieme a un team internazionale di scienziati, hanno sviluppato nanorobot a forma di elica che, per la prima volta, sono in grado di perforare un tessuto denso come quello prevalente in un occhio. Hanno applicato un rivestimento antiaderente alle nanopropulsori, che sono larghe solo 500 nm - esattamente abbastanza piccole per passare attraverso la stretta matrice molecolare della sostanza simile al gel nel vitreo. Le punte sono 200 volte più piccole del diametro di un capello umano, persino più piccole della larghezza di un batterio. La loro forma e il loro rivestimento scivoloso permettono ai nanopropulsori di muoversi relativamente senza ostacoli attraverso un occhio, senza danneggiare il sensibile tessuto biologico che li circonda. Questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di guidare i nanorobot attraverso un tessuto denso, poiché finora è stato dimostrato solo in sistemi modello o in fluidi biologici. La visione dei ricercatori è quella di caricare un giorno i nanopropulsori con farmaci o altri agenti terapeutici e guidarli verso un'area mirata, dove possono consegnare il farmaco dove è necessario.

La consegna mirata di farmaci all'interno di un tessuto biologico denso è molto impegnativa, specialmente su piccola scala: In primo luogo, è la consistenza viscosa dell'interno del bulbo oculare, la stretta matrice molecolare che un nanopropulsore deve attraversare. Agisce come una barriera e impedisce la penetrazione di strutture più grandi. In secondo luogo, anche se i requisiti di dimensione sono soddisfatti, le proprietà chimiche della rete biopolimerica nell'occhio porterebbero comunque la nanopropeller a bloccarsi in questa rete di molecole. Immaginate un minuscolo cavatappi che si fa strada attraverso una rete di nastro biadesivo. E in terzo luogo c'è la sfida dell'attuazione precisa. Quest'ultima gli scienziati la superano aggiungendo un materiale magnetico, come il ferro, quando costruiscono i nanopropulsori, che permette loro di dirigere le punte con campi magnetici verso la destinazione desiderata. Gli altri ostacoli i ricercatori li superano facendo in modo che ogni nanopropulsore non superi i 500 nm di dimensione, e applicando un rivestimento antiaderente a due strati. Il primo strato consiste in molecole legate alla superficie, mentre il secondo è un rivestimento con fluorocarbonio liquido. Questo diminuisce drasticamente la forza adesiva tra i nanorobot e il tessuto circostante.

"Per il rivestimento guardiamo alla natura per l'ispirazione", spiega il primo autore dello studio Zhiguang Wu. Era un Humboldt Research Fellow al MPI-IS e ora è un postdoc al California Institute of Technology. "Nella seconda fase, abbiamo applicato uno strato liquido trovato sulla pianta carnivora delle brocche, che ha una superficie scivolosa sul peristoma per catturare gli insetti. È come il rivestimento in Teflon di una padella. Questo rivestimento scivoloso è cruciale per la propulsione efficiente dei nostri robot all'interno dell'occhio, poiché riduce al minimo l'adesione tra la rete di proteine biologiche nel vitreo e la superficie dei nostri nanorobot".

"Il principio della propulsione dei nanorobot, le loro piccole dimensioni, così come il rivestimento scivoloso, saranno utili, non solo nell'occhio, ma per la penetrazione di una varietà di tessuti nel corpo umano", dice Tian Qiu, uno degli autori corrispondenti del documento, e un capogruppo del Micro, Nano and Molecular Systems Lab al MPI-IS.

Sia Qiu che Wu fanno parte di un team di ricerca internazionale che ha lavorato alla pubblicazione dal titolo "Uno sciame di micropropulsori scivolosi penetra nel corpo vitreo dell'occhio". Inoltre, l'Università di Stoccarda, il Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg, l'Harbin Institute of Technology in Cina, l'Università di Aarhus in Danimarca e l'Ospedale degli occhi dell'Università di Tubinga hanno contribuito al lavoro innovativo. È stato all'ospedale degli occhi, dove i ricercatori hanno testato le loro nanopropulsori in un occhio di maiale sezionato e dove hanno osservato il movimento delle eliche con l'aiuto della tomografia a coerenza ottica, una tecnica di imaging approvata clinicamente e ampiamente utilizzata nella diagnostica delle malattie degli occhi.

Attraverso l'occhio verso la retina

Con un piccolo ago, i ricercatori hanno iniettato decine di migliaia dei loro robot elicoidali di dimensioni batteriche nell'umore vitreo dell'occhio. Con l'aiuto di un campo magnetico circostante che fa ruotare i nanopropulsori, essi nuotano poi verso la retina, dove lo sciame atterra. I nanorobot scivolosi penetrano in un occhio. Essere in grado di controllare con precisione lo sciame in tempo reale era l'obiettivo dei ricercatori. Ma non finisce qui: il team sta già lavorando per utilizzare un giorno i loro nano-veicoli per applicazioni di consegna mirata. "Questa è la nostra visione", dice Tian Qiu. "Vogliamo essere in grado di utilizzare i nostri nanopropulsori come strumenti nel trattamento mini-invasivo di tutti i tipi di malattie, dove l'area problematica è difficile da raggiungere e circondata da tessuto denso. Non troppo lontano nel futuro, saremo in grado di caricarli di farmaci".

Questo non è il primo nanorobot che i ricercatori hanno sviluppato. Da diversi anni stanno creando diversi tipi di nanorobot utilizzando un sofisticato processo di produzione 3-D sviluppato dal gruppo di ricerca Micro, Nano and Molecular Systems guidato dal professor Peer Fischer. Miliardi di nanorobot possono essere realizzati in poche ore vaporizzando biossido di silicio e altri materiali, tra cui il ferro, su un wafer di silicio sotto alto vuoto mentre gira.