Inspireret af naturen kan kunstige mikrotubuli arbejde mod en strøm for at transportere små laster

Ligesom en mikroskopisk spandbrigade kan et kunstigt mikrotubuli hurtigt transportere små partikler langs magnetiske trædesten og levere dem til en præcis placering, selv når den opererer mod en stærk strøm.

Teknologien, der er udviklet af et team fra University of Pennsylvania og ETH Zürich, kan en dag lette leveringen af ​​målrettede terapier gennem blodbanen til behandling af blokerede kar eller kræftsvulster.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nature Machine Intelligence .

Forskere har undersøgt mikrorobotternes potentiale til at "svømme" i blodbanen som en måde at dirigere medicin til det nøjagtige sted, hvor de er nødvendige. Ulempen ved denne tilgang er, at fritsvømmende mikrorobotter kæmper for at gøre fremskridt mod de komplekse væskestrømme, der findes inde i den menneskelige krop.

"Som et resultat ser man ofte spredning af de partikler, som man gerne vil levere," siger Arnold Mathijssen, en tilsvarende forfatter på værket og adjunkt i Penns Institut for Fysik &Astronomi. "Virkelig, hvad du gerne vil opnå, er at have den største koncentration af lægemidlet på ét sted og ikke få det spredt andre steder, da det kan resultere i toksicitet."

Katetre og mikronåle har indtil nu været de foretrukne teknikker til at gennemføre disse målrettede indgreb. Alligevel kan katetre kun miniaturiseres så langt, før de mangler den nødvendige pumpekraft til at transportere mikroskopisk last. På samme måde er selv mikronåle stadig for store til at nå de smalleste blodkar.

For at overvinde disse forhindringer kiggede Mathijssen og hans kolleger til biologien for at få inspiration.

"Når man ser ud i naturen, er der en smuk løsning inde i cellerne," siger Mathijssen. "Mikrotubuli, som er en del af cytoskelettet, bruger molekylære motorer til at transportere vesikler til forskellige steder i cellen. Disse motorer finder en måde at håndtere de fluktuationer i flow, som vi ser i blodkar og andre steder i kroppen. Vi ønskede at prøv at syntetisere noget lignende i en nanoteknologisk indstilling for at se, om vi kunne bruge det som en effektiv leveringsmekanisme."

Deres bio-inspirerede design var et kunstigt mikrotubuli, fremstillet først i Schweiz og senere på Penns Singh Center for Nanotechnology. Disse tynde fibre, sammensat af tværbundne polymerer for at give dem elasticitet, var indlejret med magnetiske plader lavet af nikkel, indskudt i definerede afstande som trædesten. Blot 80 mikrometer i bredden ville mikrotubulierne være smalle nok til at glide gennem smalle blodkar.

Anvendelse af et roterende magnetfelt omkring de kunstige mikrotubuli forvandler nikkeltrædestenene til magneter, langs hvilke en ladning af metalmikrorobotter "går", den ene til den anden.

"Vi placerer mikrotubulierne i et roterende magnetfelt, ligesom en MR-maskine," siger Mathijssen. "Hvis du roterer feltet langsomt, bevæger partiklerne sig langsomt, og når du roterer hurtigere, accelererer partiklerne også."

Der var et "sweet spot" i magnetfeltstyrken, fandt forskerne; rotation for hurtigt fik partiklerne til at glide på overfladen og spredes væk fra mikrotubuli.

I eksperimenter, der testede transportmekanismens ydeevne i blodkar-lignende netværk, fandt forskerholdet, at mikropartiklerne kunne rejse langs mikrotubulusfiberen, selv når de udsættes for stærke væskestrømme, indstillet til at replikere dynamikken i blodgennemstrømningen. Sammenlignet med eksisterende teknologier forløb leveringen af ​​mikrogods hurtigt, en størrelsesorden hurtigere. Og fine justeringer af magnetfeltet sikrede, at lasten kunne leveres præcist til det tilsigtede sted, selv i komplekse fartøjsnetværk.

Ikke alene trækker denne nye innovation fra naturen, men Mathijssen bemærker, at den igen kan give indsigt i, hvordan biologiske systemer fungerer. Han og hans kolleger observerede, at når mikropartiklerne bevægede sig mellem trædesten, ville de samle sig selv og danne klumper, hver bundet til en af ​​trædestenene. Til sidst ville de samlede partikler skubbe hinanden fremad i en kollektiv indsats. Mens et par andre grupper har foreslået, at dette kan forekomme inde i celler for at forbedre cytoskelettransport, giver dette arbejde det første eksperimentelle bevis på fremdriftsprincippet.

"Nogle gange bygger du noget i laboratoriet, og det kan fortælle dig noget nyt om biologi," siger han.

For at anvende denne mikropartikeltransportstrategi i det rigtige ord, forestiller forskerne sig at bytte nikkel, som er giftigt, ud med andre materialer, såsom jernoxid, som allerede er FDA-godkendt til internt brug. De holder også et åbent sind med hensyn til, hvordan mikrotubulierne kan bruges. Målrettet medicinafgivelse og fjernelse af plak i blodkar er oplagte anvendelser, men Mathijssen forestiller sig også fordelene ved en todimensionel fiber. Viklet rundt om medicinsk udstyr. En sådan enhed kunne levere antimikrobielle stoffer for at forhindre væksten af ​​farlige bakterielle biofilm.

"Vi mener, at disse 'mikromotorveje til mikrorobotter' kan give en alternativ løsning til fritsvømmende mikrorobotter og andre nuværende teknologier," siger han, "der bringer robust biomedicinsk mikrotransport meget tættere på virkeligheden." + Udforsk yderligere

Bakteriebaserede biohybride mikrorobotter på en mission for en dag at bekæmpe kræft