Microrobotica e microstampa 3D insieme per la medicina del futuro

La stampa 3D permette di realizzare oggetti sempre più vari e funzionali, personalizzandoli a piacimento e sperimentando nuove combinazioni di forme e materiali. Ma la manipolazione digitale della materia si sta avvicinando progressivamente al livello molecolare e questo apre nuove prospettive di utilizzo. Allo stesso tempo questa “discesa” nel mondo microscopico è seguita anche dalla robotica, con attuatori miniaturizzati in grado di svolgere compiti complessi ben al di là della nostra vista. È possibile unire i due ambiti? La risposta è sì, e grazie a questa sinergia una nuova medicina è pronta a far la sua comparsa sulla scena sconvolgendo le tradizionali metodiche di terapia farmacologica.

Al giorno d'oggi si sta assistendo sempre di più ad un'integrazione tra stampa 3D e robotica. Di quest'ultima, i microrobot soprattutto rappresentano una delle innovazioni tecnologiche del nostro tempo destinate ad un'importante evoluzione. Le loro dimensioni ridotte spianano la strada a applicazioni mediche e biologiche quali microattuatori, microsensori e sistemi terapeutici come dimostrato dalle iniziative del Centro di Micro-BioRobotica di Pontedera. Parallelamente nuove tecniche di stampa 3D permettono di realizzare strutture sempre più piccole, ugualmente definite, spostando la capacità di manipolare la materia fino all'ordine dei micrometri o addirittura dei nanometri. Un esempio è la tedesca Nanoscribe della Karlsruhe Institute of Technology (KIT) che ha sviluppato un sistema proprietario di stampa litografica laser, la polimerizzazione a due fotoni, rapido e ad alta risoluzione capace di sfiorare pochi μm.

Il metodo, usato nella Photonic Professional GT, si basa su delle teste galvanometriche (usate anche nei laser show o nei lettori CD) grazie a cui deflettere un laser e modularne l'intensità e lo spostamento del campione con estrema precisione anche ad alte velocità. Il materiale in questione è fotosensibile e una volta investito dal raggio laser viene polimerizzato in modo da delinearne la morfologia sulla base del modello digitale definito in CAD, il tutto lavorando a una classica postazione desktop.

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L'unione tra stampa 3D e microrobot è più che possibile e ha già dato vita ad un progetto a dir poco sorprendente, ovvero l'utilizzo di questi ultimi, stampati in 3D, per trasportare farmaci o molecole in una posizione specifica all'interno del corpo umano. Parliamo di un nuovo approccio alla drug delivery, ossia al metodo con cui un farmaco viene “consegnato” al tessuto o organo bersaglio per espletare così il suo effetto biologico. Normalmente si usano le proprietà biochimiche del farmaco stesso in modo che questo vada a influenzare solo determinati tipi di tessuti, riducendo gli effetti collaterali e limitando scompensi fisiologici generali. La specificità di trattamento tuttavia non è mai esatta e ogni terapia è sempre un po' come colpire un bersaglio con scarsa precisione. Tutto questo potrebbe cambiare, assicurando che il farmaco arrivi esattamente al tessuto target guidandolo all'interno dell'organismo non per via biochimica ma in maniera meccanica e, per quanto possibile, prevedibile e ripetibile. Due professori del gruppo Micro and Nanosystems del Politecnico ETH (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) di Zurigo hanno lavorato su questo concetto per anni. Microrobot che nuotano all'interno del nostro corpo e assolvono la funzione di trasportatori cargo potrebbero essere la chiave per cambiare il volto della medicina in futuro soprattutto in ambiti come la microchirurgia non invasiva, il trasporto mirato di farmaci e la manipolazione cellulare.

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I ricercatori ETH si sono riuniti in due gruppi guidati da Bradley Nelson, professore di Robotica e Sistemi Intelligenti, e Christofer Hierold, docente di Micro e nanosistemi, inglobando una formidabile conoscenza nel campo delle applicazioni di microrobot e dell'integrazione di nuovi materiali da impiegare nei microsistemi.

Con una nuova tecnica di fabbricazione additiva gli scienziati sono in grado di creare microrobot, o micro-attuatori, rivestiti poi con materiali biomedici. Questo potrebbe aumentare la funzionalità dei farmaci per raggiungere in modo piu preciso obiettivi specifici all'interno del corpo. La tecnica utilizzata dai ricercatori prevede l'impiego di una resina epossidica fotosensibile e biocompatibile, in cui sono incorporate nanoparticelle magnetiche. Nella prima parte della fase di vulcanizzazione, uno strato sottile di questo materiale viene esposto ad un campo magnetico. Il campo magnetizza le nanoparticelle, portando ad una ridistribuzione delle stesse in forma di linee parallele. L'orientamento di queste linee determina le proprietà magnetiche del materiale. Al termine di questa fase sono state ottenute delle minuscole strutture allungate tramite polimerizzazione a due fotoni. Similmente al processo di Nanoscribe, un raggio laser viene spostato all'interno dello strato di resina epossidica in maniera tridimensionale e controllato attraverso un computer. Questo ha permesso ai ricercatori la fabbricazione di strutture elicoidali da 60 micrometri di lunghezza e 9 micrometri di diametro con una magnetizzazione perpendicolare all'asse longitudinale. Un metodo di fabbricazione convenzionale non avrebbe permesso la produzione di un oggetto con tali proprietà magnetiche, dato che la magnetizzazione è generalmente nella direzione dell'asse longitudinale di un oggetto, come quello dell'ago di una bussola. In questo modo i nuovi attuatori possono essere controllati con precisione, nuotano quasi quattro volte più velocemente degli elementi precedenti, e non oscillano.

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Il sistema di locomozione di questi microrobot è simile a quello dei flagelli e delle ciglia, gli organi locomotori di alcune cellule eucariotiche e batteri.

Inizialmente questi micro-attuatori avevano la forma elicoidale, ma grazie alla tecnologia di fabbricazione microscopica 3D gli scienziati di ETH sono stati in grado di produrre forme modificate. Sono state sperimentate strutture simili a forma di spirale, nastri e fili intrecciati (twisted wires). I test dimostrano che queste strutture nuotano velocemente come gli attuatori a forma elicoidale, ma le nuove forme differiscono da questi ultimi in quanto la loro superficie è da due a quattro volte più grande. Quindi in particolare se questi attuatori vengono rivestiti con le molecole corrispondenti al farmaco o alla sostanza che devono trasportare all'interno del corpo, avendo a disposizione una maggiore superficie, sarà possibile trasportarne una maggiore quantità. In linea di principio, sarebbe possibile anche rivestire le strutture con materiali biomedici interessanti collegando degli anticorpi sulla superficie dei motori a spirale che potrebbero interagire in chiave immunitaria con microorganismi e tessuti del paziente.

Stiamo forse parlando di un modo per affiancare ed estendere le capacità immunitarie dell'uomo a livello molecolare mediante robot? Se pensiamo che con la tecnologia moderna si stanno progettando estensioni di capacità quali memoria, performance fisiche e percezione sensoriale, questo obiettivo non sembra tanto impossibile o lontano. In questo scenario si può evidenziare un interesse crescente verso gli ambiti di ricerca di applicazioni della micro-robotica in medicina grazie anche all'utilizzo delle nuove nanotecnologie. L'avvento della stampa 3D e della stampa 3D microscopica sicuramente darà un ulteriore slancio alle innumerevoli scoperte ed innovazioni tecnologiche che ci attendono in futuro, aprendo una nuova frontiera per la medicina moderna e non solo.

Orlando Rossi - Open Biomedical Initiative

Image credits

Nanoscribe

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