Presto i chirurghi schiereranno eserciti di piccoli robot per eseguire microchirurgia in tutto il corpo. Anche se questo può sembrare fantascienza , un gruppo di ricerca della Drexel University ha sviluppato una tecnologia micro-robot che viene presa in considerazione per un'importante missione: perforare le arterie ostruite.
Le placche atriali si formano quando grasso, colesterolo, calcio e altre sostanze si depositano sulle pareti interne delle arterie, che trasportano il sangue in tutto il corpo. Nel tempo, queste arterie si induriscono e si restringono. Questo processo chiamato aterosclerosi limita la capacità del sangue ricco di ossigeno di raggiungere organi vitali e aumenta il rischio di infarto o ictus. Sebbene la causa dell'aterosclerosi sia sconosciuta, una combinazione di abitudini (come livello di attività, fumo e dieta), fattori di rischio genetico ed età contribuiscono al suo sviluppo. Due approcci chirurgici convenzionali per le arterie bloccate sono l'angioplastica e la chirurgia di bypass. Durante un'angioplastica, un chirurgo vascolare gonfia un piccolo palloncino all'interno del vaso sanguigno e inserisce un tubo di rete metallica chiamato uno stent per tenere aperte le arterie e migliorare il flusso sanguigno. Al contrario, un intervento chirurgico di bypass comporta il reinstradamento del flusso sanguigno utilizzando vene o arterie non bloccate per bypassare l'arteria ristretta.
Questa nuova innovazione nella nanomedicina, tuttavia, prende la forma di piccole microsfere che si uniscono per formare una struttura simile a un cavatappi in grado di navigare nelle infide acque del sistema vascolare del corpo. I micro-nuotatori sono costituiti da piccole perle di ossido di ferro piccole fino a 200 nanometri, unite insieme in una catena. Queste perle sono "composte da materiali inorganici e biocompatibili che non scateneranno una risposta immunologica", afferma MinJun Kim, professore al College of Engineering della Drexel University.
Per indurre il movimento attraverso il flusso sanguigno, la catena è esposta a un campo magnetico esterno finemente calibrato. La rotazione di questo campo fa sì che la catena formi una struttura elicoidale rotante che si spinge attraverso il flusso sanguigno. Le proprietà di questo campo magnetico aiutano anche a controllare la velocità, la direzione e le dimensioni della catena del micro-nuotatore (influenzando la forza con cui si muove) in base alla natura dell'occlusione arteriosa.
"L'uso di micro-robot in medicina è davvero un campo nuovo di zecca, che richiede un forte background di ricerca multidisciplinare", afferma Kim.
Il design unico per il micro-nuotatore è stato ispirato dalla natura stessa: un microrganismo chiamato Borrelia burgdorferi . (Università di Drexel) Il design unico per il micro-nuotatore è stato ispirato dalla natura stessa: un microrganismo chiamato Borrelia burgdorferi . La struttura a spirale di questo batterio, che è responsabile della causa della malattia di Lyme, gli consente di infiltrarsi facilmente nei fluidi corporei e causare danni diffusi.
Per rimuovere le placche arteriose, gli scienziati useranno un catetere per erogare i micro-nuotatori e un piccolo trapano vascolare per liberare l'arteria occlusa. Al momento dello spiegamento, i micro-nuotatori lanceranno l'attacco iniziale allentando la placca indurita, che a sua volta verrà completata con il trapano chirurgico. Dopo l'intervento chirurgico, le microsfere biodegradabili sono progettate per rilasciare farmaci anticoagulanti nel flusso sanguigno per aiutare a ostacolare il futuro accumulo di placca.
"Gli attuali trattamenti per l'occlusione totale cronica hanno successo solo per circa il 60%", ha detto Kim in un comunicato stampa . "Riteniamo che il metodo che stiamo sviluppando potrebbe raggiungere l'80-90 percento di successo e ridurre i tempi di recupero".
Per i micro-nuotatori, i ricercatori hanno usato strutture asimmetriche di tre minuscole perle di ossido di ferro. (Università di Drexel) Il team di ricerca ha dovuto superare diverse sfide per sviluppare robot funzionali su una scala così microscopica. "Il mondo microscopico è completamente diverso dal mondo macroscopico in cui viviamo tutti", afferma Kim. "Usiamo l'inerzia per muoverci nel mondo macroscopico, ma a livello microscopico l'inerzia non è utile per il movimento". Di conseguenza, gli scienziati hanno dovuto utilizzare strutture asimmetriche (o chirali) per i micro-nuotatori. "Siamo in grado di creare micro-nuotatori a singolo e doppio tallone, ma quando applichiamo il campo magnetico non possono muoversi affatto perché le loro strutture sono simmetriche. Quindi, al fine di creare una struttura non simmetrica, dovevamo utilizzare almeno tre perline ", afferma Kim.
Un altro ostacolo che i ricercatori hanno affrontato sono state le complesse proprietà fluide del sangue. A differenza dell'acqua, il sangue è indicato come un fluido non newtoniano, il che significa che la sua viscosità (o resistenza al flusso) del fluido non è direttamente proporzionale alla velocità con cui scorre. Di conseguenza, gli algoritmi per il controllo dei micro-nuotatori sviluppati da Kim e dal suo team erano basati su una fluidodinamica non lineare ed erano molto più elaborati. "Questo controllo non lineare rende molto più difficile manipolare i robot su scala microscopica", afferma Kim.
Gli scienziati di Drexel si sono uniti all'Istituto di scienza e tecnologia Daegu Gyeongbuk per espandere questa tecnologia per l'uso quotidiano da parte di team chirurgici cardiovascolari. Finora i micro-nuotatori sono stati testati solo su vasi sanguigni artificiali. Lo sforzo di ricerca internazionale, un progetto da 18 milioni di dollari finanziato dal Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, ha reclutato i migliori ingegneri di altre 11 istituzioni negli Stati Uniti, in Corea e in Svizzera. Sperano di avere la tecnologia negli studi clinici sull'uomo entro quattro anni.
Oltre all'uso dei micro-nuotatori come dispositivi idraulici per le arterie, i ricercatori hanno studiato altre potenziali applicazioni biomediche, come terapie farmacologiche più mirate e tecnologia di imaging ad alta risoluzione. "Ad esempio, i granuli potrebbero essere utilizzati per penetrare direttamente nelle cellule tumorali tumorali difficili da raggiungere dove il farmaco verrà rilasciato nel bersaglio, massimizzando così l'efficienza del farmaco", afferma Kim.
L'interesse di Kim nel campo della nanotecnologia è stato suscitato dal film di fantascienza del 1966 Fantastic Voyage e dal suo remake diretto da Steven Spielberg Innerspace . Entrambi questi film riguardano la miniaturizzazione di un sottomarino pilotato dall'uomo che viene successivamente iniettato nel corpo umano in una missione salvavita.
"Ho visto Innerspace quando ero al liceo nel 1987. Il film contiene numerosi concetti di micro-robotica e nanomedicina che hanno ispirato sia me stesso che altri ricercatori in questo campo", afferma Kim. "Sono entusiasta di far parte di un progetto che è coinvolto nella realizzazione di questa fantascienza".
