Geïnspireerd door de natuur, kunnen kunstmatige microtubuli tegen de stroom in werken om kleine ladingen te vervoeren

Hoewel vrijzwemmende microrobots zijn onderzocht als een manier om therapieën nauwkeurig in een bloedvat af te leveren, kunnen ze zich verspreiden in de sterke stromen en hun doel niet bereiken bij voldoende hoge concentraties. Microrobots daarentegen, voortgestuwd door een kunstmatige microtubule, ontwikkeld door natuurkundige Arnold Mathijssen en collega’s, kunnen precies worden getransporteerd, zelfs tegen de stroom in. Krediet: Arnold Mathijssen/Natuur Machine Intelligentie

Net als een microscopisch kleine emmerbrigade kan een kunstmatige microtubule snel kleine deeltjes langs magnetische stapstenen transporteren en ze op een precieze locatie afleveren, zelfs wanneer ze tegen een sterke stroom in werken.

De technologie, ontwikkeld door een team van de Universiteit van Pennsylvania en ETH Zürich, kan op een dag de levering van gerichte therapieën via de bloedbaan vergemakkelijken om geblokkeerde bloedvaten of kankertumoren te behandelen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Machine Intelligentie.

Onderzoekers hebben het potentieel onderzocht van microrobots om in de bloedbaan te “zwemmen” als een manier om medicijnen naar de exacte locatie te leiden waar ze nodig zijn. Het nadeel van deze benadering is dat vrij zwemmende microrobots moeite hebben om vooruitgang te boeken tegen de complexe vloeistofstromen die in het menselijk lichaam bestaan.

“Als gevolg hiervan zie je vaak dispersie van de deeltjes die je zou willen afleveren”, zegt Arnold Mathijssen, een corresponderende auteur van het werk en een assistent-professor bij Penn’s Department of Physics & Astronomy. “Wat je echt zou willen bereiken, is om de grootste concentratie van het geneesmiddel op één plaats te hebben en het nergens anders te verspreiden, omdat dat tot toxiciteit zou kunnen leiden.”

Katheters en micronaalden waren tot nu toe de voorkeurstechnieken om deze gerichte interventies te voltooien. Toch kunnen katheters slechts tot nu toe worden geminiaturiseerd voordat ze de pompkracht missen die nodig is om microscopisch kleine lading te vervoeren. Evenzo zijn zelfs micronaalden nog te groot om de smalste bloedvaten te bereiken.

Om deze obstakels te overwinnen, keken Mathijssen en collega’s naar de biologie voor inspiratie.

“Als je in de natuur kijkt, is er in cellen een mooie oplossing”, zegt Mathijssen. “Microtubuli, die deel uitmaken van het cytoskelet, gebruiken moleculaire motoren om blaasjes naar verschillende locaties in de cel te transporteren. Deze motoren vinden een manier om om te gaan met de fluctuaties in de stroom die we zien in bloedvaten en elders in het lichaam. We wilden probeer iets soortgelijks te synthetiseren in een nanotechnologische omgeving om te zien of we het kunnen gebruiken als een efficiënt leveringsmechanisme.”

Hun bio-geïnspireerde ontwerp was een kunstmatige microtubule, eerst gefabriceerd in Zwitserland en later in Penn’s Singh Center for Nanotechnology. Deze dunne vezels, samengesteld uit verknoopte polymeren om ze elasticiteit te geven, waren ingebed met magnetische platen van nikkel, afgewisseld op bepaalde afstanden als stapstenen. Met een breedte van slechts 80 micron zouden de microtubuli smal genoeg zijn om door nauwe bloedvaten te glippen.

Door een roterend magnetisch veld rond de kunstmatige microtubuli aan te leggen, worden de nikkelen stapstenen magneten, waarlangs een lading metalen microrobots de ene naar de andere “loopt”.

“We plaatsen de microtubuli in een roterend magnetisch veld, net als een MRI-machine”, zegt Mathijssen. “Als je het veld langzaam draait, bewegen de deeltjes langzaam, en als je sneller draait, versnellen de deeltjes ook.”

Er was een “sweet spot” in de magnetische veldsterkte, vonden de wetenschappers; te snel roteren zorgde ervoor dat de deeltjes op het oppervlak glippen en weg van de microtubulus verspreidden.

In experimenten die de prestaties van het transportmechanisme in bloedvatachtige netwerken testten, ontdekte het onderzoeksteam dat de microdeeltjes langs de microtubulusvezel konden reizen, zelfs wanneer ze werden blootgesteld aan sterke vloeistofstromen, afgestemd om de dynamiek van de bloedstroom te repliceren. Vergeleken met bestaande technologieën verliep de levering van microcargo’s snel, een orde van grootte sneller. En fijne aanpassingen aan het magnetische veld zorgden ervoor dat de lading nauwkeurig op de beoogde locatie kon worden afgeleverd, zelfs in complexe scheepsnetwerken.

Deze nieuwe innovatie put niet alleen uit de natuur, maar Mathijssen merkt op dat het op zijn beurt inzicht kan geven in hoe biologische systemen werken. Hij en zijn collega’s merkten op dat, wanneer de microdeeltjes tussen stapstenen bewogen, ze zichzelf zouden verzamelen en klonten vormden, elk vastgemaakt aan een van de stapstenen. Uiteindelijk zouden de verzamelde deeltjes elkaar naar voren duwen in een collectieve inspanning. Hoewel een paar andere groepen hebben gesuggereerd dat dit in cellen zou kunnen gebeuren om het transport van het cytoskelet te verbeteren, levert dit werk het eerste experimentele bewijs van het voortstuwingsprincipe.

“Soms bouw je iets in het lab en het kan je iets nieuws over biologie vertellen”, zegt hij.

Om deze transportstrategie voor microdeeltjes in het echte woord toe te passen, stellen de onderzoekers zich voor om nikkel, dat giftig is, te verwisselen voor andere materialen, zoals ijzeroxide, dat al door de FDA is goedgekeurd voor intern gebruik. Ze staan ​​ook open voor de manieren waarop de microtubuli kunnen worden gebruikt. Gerichte medicijnafgifte en verwijdering van bloedvatplak zijn voor de hand liggende toepassingen, maar Mathijssen verbeeldt zich ook de voordelen van een tweedimensionale vezel. Gewikkeld rond medische apparaten. Een dergelijk apparaat zou antimicrobiële stoffen kunnen leveren om de groei van gevaarlijke bacteriële biofilms te voorkomen.

“Wij geloven dat deze ‘microsnelwegen voor microrobots’ een alternatieve oplossing kunnen bieden voor vrijzwemmende microrobots en andere huidige technologieën,” zegt hij, “waardoor robuust biomedisch microtransport veel dichter bij de realiteit komt.”