Nanorobotter driver gennem øjet

Mikroforskere, Nano and Molecular Systems Lab ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, sammen med et internationalt hold af forskere, har udviklet propelformede nanorobotter, der for første gang, er i stand til at bore gennem tæt væv, som det er udbredt i et øje. De påførte en non-stick belægning på nanopropellerne, som kun er 500 nm brede – nøjagtigt små nok til at passe gennem den tætte molekylære matrix af det gel-lignende stof i glaslegemet. Borene er 200 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår, endnu mindre end en bakteries bredde. Deres form og deres glatte belægning gør det muligt for nanopropellerne at bevæge sig relativt uhindret gennem et øje, uden at beskadige det følsomme biologiske væv omkring dem. Det er første gang, at forskere var i stand til at styre nanorobotter gennem tæt væv, som hidtil, det er kun blevet påvist i modelsystemer eller biologiske væsker. Forskernes vision er en dag at fylde nanopropellerne med medicin eller andre terapeutiske midler og styre dem til et målrettet område, hvor de kan levere medicinen derhen, hvor den er nødvendig.

Målrettet lægemiddellevering i tæt biologisk væv er meget udfordrende, især i disse små skalaer:For det første, det er den tyktflydende konsistens af indersiden af ​​øjeæblet, den stramme molekylære matrix, som en nanopropel skal presse sig igennem. Det fungerer som en barriere og forhindrer indtrængning af større strukturer. For det andet selvom størrelseskravene er opfyldt, de kemiske egenskaber af det biopolymere netværk i øjet ville stadig resultere i, at nanopropellen sætter sig fast i dette net af molekyler. Forestil dig en lille propskrue på vej gennem et væv af dobbeltklæbende tape. Og for det tredje er der udfordringen med præcis aktivering. Dette sidste overvinder forskerne ved at tilføje et magnetisk materiale, som jern, når man bygger nanopropellerne, som giver dem mulighed for at styre øvelserne med magnetfelter til den ønskede destination. De andre forhindringer overvinder forskerne ved at gøre hver nanopropel ikke større end 500 nm i størrelse, og ved at påføre en to-lags non-stick belægning. Det første lag består af molekyler bundet til overfladen, mens den anden er en belægning med flydende fluorcarbon. Dette reducerer dramatisk klæbekraften mellem nanorobotterne og det omgivende væv.

"Til belægningen ser vi til naturen for at få inspiration, ", forklarer den første forfatter til undersøgelsen Zhiguang Wu. Han var Humboldt Research Fellow ved MPI-IS og er nu postdoc ved California Institute of Technology. "I andet trin, vi påførte et flydende lag fundet på den kødædende kandeplante, som har en glat overflade på peristomet til at fange insekter. Det er ligesom teflonbelægningen på en stegepande. Denne glatte belægning er afgørende for den effektive fremdrift af vores robotter inde i øjet, da det minimerer adhæsionen mellem det biologiske proteinnetværk i glaslegemet og overfladen af ​​vores nanorobotter."

"Princippet om fremdrift af nanorobotterne, deres lille størrelse, samt den glatte belægning, vil være nyttigt, ikke kun i øjet, men for penetration af en række væv i den menneskelige krop, " siger Tian Qiu, en af ​​de tilsvarende forfattere af papiret, og en gruppeleder i Micro, Nano and Molecular Systems Lab på MPI-IS.

Både Qiu og Wu er en del af et internationalt forskerhold, der har arbejdet på udgivelsen med titlen "En sværm af glatte mikropropeller trænger ind i øjets glaslegeme." Også, universitetet i Stuttgart, Max Planck Institut for Medicinsk Forskning i Heidelberg, Harbin Institute of Technology i Kina, Aarhus Universitet i Danmark og Øjenhospitalet ved Universitetet i Tübingen bidrog til det banebrydende arbejde. Det var på øjenhospitalet, hvor forskerne testede deres nanopropeller i et dissekeret griseøje, og hvor de observerede propellernes bevægelse ved hjælp af optisk kohærenstomografi, en klinisk godkendt billedbehandlingsteknik, der i vid udstrækning anvendes til diagnostik af øjensygdomme.

På tværs af øjet mod nethinden

Med en lille nål, forskerne sprøjtede titusindvis af deres spiralformede robotter på størrelse med bakterier ind i øjets glaslegeme. Ved hjælp af et omgivende magnetfelt, der roterer nanopropellerne, så svømmer de mod nethinden, hvor sværmen lander. Glatte nanorobotter trænger ind i et øje. At være i stand til præcist at kontrollere sværmen i realtid var, hvad forskerne sigtede efter. Men det slutter ikke her:holdet arbejder allerede på en dag med at bruge deres nano-køretøjer til målrettede leveringsapplikationer. "Det er vores vision, " siger Tian Qiu. "Vi ønsker at kunne bruge vores nanopropeller som redskaber i den minimalt invasive behandling af alle slags sygdomme, hvor det problematiske område er svært at nå og omgivet af tæt væv. Ikke så langt ude i fremtiden, vi vil være i stand til at fylde dem med stoffer."

Dette er ikke den første nanorobot, forskerne har udviklet. I flere år nu, de har skabt forskellige typer nanorobotter ved hjælp af en sofistikeret 3D-fremstillingsproces udviklet af Micro, Nano- og molekylære systemer forskergruppe ledet af professor Peer Fischer. Milliarder af nanorobotter kan laves på kun få timer ved at fordampe siliciumdioxid og andre materialer, herunder jern, på en siliciumwafer under højvakuum, mens den drejer.