Un nuovo metodo di imaging rende visibili i micro-robot nel corpo

L'imaging è anche un prerequisito per monitorare gli interventi terapeutici e verificare se i robot hanno svolto il loro compito come previsto. "L'impossibilità di fornire un feedback in tempo reale sui microrobot era quindi un ostacolo importante sulla strada dell'applicazione clinica".

Insieme a Metin Sitti, un microrobotico leader a livello mondiale che è anche membro del CLS in qualità di capo dipartimento presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) e l'ETH Professor of Physical Intelligence, e ad altri ricercatori, il team ha ora raggiunto un importante traguardo nella combinazione efficiente di microrobotica e imaging. In uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances, sono riusciti per la prima volta a rilevare e seguire in tempo reale minuscoli robot di dimensioni fino a cinque micrometri nei vasi sanguigni cerebrali dei topi, utilizzando una tecnica di imaging non invasiva.

I ricercatori hanno utilizzato microrobot con dimensioni comprese tra 5 e 20 micrometri. I robot più piccoli hanno le dimensioni dei globuli rossi, che hanno un diametro di 7-8 micrometri. Queste dimensioni permettono ai microrobot iniettati per via endovenosa di attraversare anche i più sottili microcapillari del cervello di un topo. I ricercatori hanno anche sviluppato una speciale tecnica di tomografia optoacustica per riconoscere individualmente i minuscoli robot, ad alta risoluzione e in tempo reale.

Questo metodo di imaging unico nel suo genere consente di rilevare i minuscoli robot in regioni profonde e difficili da raggiungere del corpo e del cervello, cosa che non sarebbe stata possibile con la microscopia ottica o qualsiasi altra tecnica di imaging. Il metodo è chiamato optoacustico perché la luce viene prima emessa e poi assorbita dal tessuto in questione. L'assorbimento genera quindi minuscole onde ultrasonore che possono essere rilevate e analizzate per ottenere immagini volumetriche ad alta risoluzione.

Robot dal volto di Giano con uno strato d'oro

Per rendere i microrobot chiaramente visibili sulle immagini, i ricercatori avevano bisogno di un agente di contrasto adatto. Per il loro studio hanno quindi utilizzato microrobot sferici basati su particelle di biossido di silicio con il cosiddetto rivestimento Janus. Questo tipo di robot ha un design molto robusto ed è molto adatto a compiti medici impegnativi. Prende il nome dal dio romano Giano, che aveva due facce. Le due metà della sfera del robot sono rivestite ciascuna in modo diverso. Nel caso attuale, i ricercatori hanno rivestito una metà del robot con nichel e l'altra con oro.

"L'oro è un ottimo agente di contrasto per l'imaging optoacustico", spiega Razansky, "senza lo strato d'oro, il segnale generato dai microrobot è semplicemente troppo debole per essere riconosciuto"."Oltre all'oro, i ricercatori hanno testato l'uso di piccole bolle, note come nanoliposomi, che contenevano un colorante verde fluorescente che fungeva anche da agente di contrasto. "I liposomi hanno anche il vantaggio di poter essere caricati con farmaci, il che è importante per gli approcci futuri alla somministrazione mirata di farmaci", afferma Wrede, primo autore dello studio. Le potenziali applicazioni dei liposomi sono oggetto di uno studio successivo.

L'oro può essere utilizzato anche per ridurre al minimo l'effetto citotossico del rivestimento di nichel - dopo tutto, i futuri microrobot devono essere biocompatibili e non tossici se devono essere utilizzati su animali vivi o sull'uomo, il che fa parte di un progetto di ricerca in corso. Nel presente studio, i ricercatori hanno utilizzato il nichel come mezzo di trasmissione magnetica insieme a un semplice magnete permanente per tirare i robot. In studi successivi, intendono testare l'imaging optoacustico con un sistema di controllo del movimento più complesso che utilizza campi magnetici rotanti.

"Questo ci permetterebbe di controllare e muovere con precisione i microrobot anche in presenza di sangue molto fluido", spiega Metin Sitti. "In questo studio ci siamo concentrati sul rendere visibili i microrobot. Il progetto ha avuto molto successo grazie all'eccellente collaborazione del CLS, che ha permesso di combinare le competenze dei due gruppi di ricerca dell'MPI-IS di Stoccarda per la parte robotica e dell'ETH di Zurigo per la parte di imaging", conclude.