De toekomst van micromotoren in kaart brengen

Representatieve op hydrogel gebaseerde thermo-responsieve micromotoren. (a) Een microgripper kromp ineen en greep de lading vast toen de temperatuur boven LCST was. ( b ) Schematische afbeelding van een op warmte reagerende microgripper met omkeerbare zelfvouwende en ontvouwende architecturen (boven); toepassing van een op warmte reagerende microgripper bij het vangen en uitsnijden van cellen uit een fibroblastklomp met levende cellen (hieronder). Overgenomen met toestemming van ref [50]. Auteursrecht 2015 American Chemical Society. (c) Een schematisch beeld van een Mg/Pt-PNIPAM Janus-micromotor die het proces van het laden, transporteren en vrijgeven van medicijnen demonstreert. Credit: Cyborg en bionische systemen (2022). DOI: 10.34133/2022/9852853

Het is het spul van tekenfilms en films: een team van wetenschappers krimpt ineen en vliegt een schip ter grootte van een bloedvat door weefsel en pezen naar de plaats van verwonding of ziekte. Ze repareren of vallen de plek direct aan – wat er ook nodig is – zonder het omliggende weefsel te verstoren. Als de klus is geklaard, niest de patiënt krachtig en springt het team eruit, probleem opgelost.

De sciencefiction staat dichter bij de werkelijkheid dan we ons realiseren. Natuurlijk niet om mensen te miniaturiseren, maar onderzoekers uit verschillende disciplines hebben kleine machines ontwikkeld die in staat zijn om een ​​verscheidenheid aan biomedische taken uit te voeren om verschillende aandoeningen nauwkeurig te beoordelen en te behandelen – in het laboratorium. De vraag is nu hoe je het werk vertaalt van labbanken naar ziekenhuisbedden. Een in China gevestigd onderzoeksteam beoordeelde de huidige staat van micromotoren voor biomedische toepassingen en stelde de volgende stappen voor om het werk vooruit te helpen.

Ze publiceerden hun aanbevelingen op 10 oktober in Cyborg en bionische systemen.

“Het veld van medische micromotoren ontwikkelt zich snel en is veelbelovend voor het uitvoeren van diverse medische taken, zoals gerichte medicijnafgifte, precisiecelmicrochirurgie, micro-/nanomanipulatie en niet-invasieve/minimaal invasieve diagnose en therapie”, aldus co-corresponderende auteur Jinhua Li , professor aan de School of Medical Technology, Beijing Institute of Technology.

“In dit overzichtsartikel hebben we geprobeerd een beter begrip te krijgen van het ontwerp, de fabricage en de toekomstige richtingen van op hydrogel gebaseerde micro- en nanomotoren met actieve prikkelgevoeligheid voor diverse biomedische toepassingen.”

De functionaliteit van een medische micromotor hangt volgens Li voornamelijk af van het materiaal waarmee hij is ontworpen.

“Hydrogels zijn zeer geschikt voor het fabriceren van medische micromotoren omdat ze veel voordelen hebben, zoals poreuze netwerkstructuren en reactievermogen op meerdere stimuli,” zei Li. Hydrogels zijn onoplosbaar maar kunnen water absorberen terwijl ze toch structurele ondersteuning behouden. “De integratie van op prikkels reagerende hydrogelmaterialen in het ontwerp van medische micromotoren kan hen voorzien van nieuwe gunstige eigenschappen, zoals morphing, biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid, en het gecontroleerd laden en vrijgeven van medicijnen.”

In laboratoriumomgevingen kunnen micromotoren gemaakt met hydrogels therapeutische middelen – inclusief met medicijnen beladen deeltjes en cellen – vasthouden of slepen naar een tumor of een andere zieke plaats om te worden vrijgegeven. Als ze zijn ontworpen om te reageren op specifieke prikkels, zoals pH-waarden of externe signalen, kunnen ze ook specifieke medische taken uitvoeren, zoals het nemen van celmonsters en het verwijderen van stolsels.

Een groot probleem hiermee, zei Li, is echter dat de fabricagematerialen die worden gebruikt om dergelijke objectmanipulatie van microformaat te bereiken, vaak biologisch onverenigbare of niet-afbreekbare componenten bevatten die ongewenste fysiologische effecten kunnen veroorzaken.

“Micromotoren hebben programmeerbare fabricagetechnieken en manoeuvreerbaarheid nodig met meer vrijheidsgraden, evenals meer geavanceerde vormveranderende capaciteiten, met meer gecompliceerde microarchitecturen, om meer voortbewegings- en objectmanipulatiemodi te ontgrendelen, ” zei Li.

Li en het team riepen ook op tot meer onderzoek op drie specifieke gebieden: de tijd die een micromotor nodig heeft om op te zwellen of samen te trekken, een belangrijke prestatiemaatstaf voor de levensduur van het apparaat; welke vreemde stimulussignalen kunnen worden gebruikt om micromotorische actie op gang te brengen zonder de patiënt die de behandeling ondergaat schade toe te brengen; en meer uitgebreide experimenten om het beste te begrijpen hoe micromotoren in de leefomgeving kunnen worden gemanipuleerd en bestuurd met behulp van klinische hulpmiddelen en beeldvormingssystemen.

“Het onderzoeksgebied van op hydrogel gebaseerde, op stimuli reagerende micromotoren voor meerdere biomedische toepassingen staat nog in de kinderschoenen, ” zei Li.

“Met meer en meer in vivo studies hebben deze micromotoren een enorm vertaalpotentieel voor verschillende medische toepassingsscenario’s. Onderzoekers, apothekers, ingenieurs, artsen en experts op andere gebieden zouden moeten samenwerken om fabricage, programmeerbare vormverandering, ontwerp van responsiviteit van stimuli en in vivo experimenten van op hydrogel gebaseerde micromotoren om uiteindelijk hun klinische vertaling en toepassingen te bereiken.”