Mikroforskare, Nano and Molecular Systems Lab vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, tillsammans med ett internationellt team av forskare, har utvecklat propellerformade nanorobotar som, för första gången, kan borra genom tät vävnad som är vanligt i ett öga. De applicerade en non-stick beläggning på nanopropellrarna, som bara är 500 nm breda – exakt tillräckligt små för att passa genom den täta molekylära matrisen av det gelliknande ämnet i glaskroppen. Borrarna är 200 gånger mindre än diametern på ett människohår, till och med mindre än en bakteries bredd. Deras form och hala beläggning gör att nanopropellrarna kan röra sig relativt obehindrat genom ett öga, utan att skada den känsliga biologiska vävnaden runt dem. Detta är första gången forskare kunde styra nanorobotar genom tät vävnad, som hittills, det har bara visats i modellsystem eller biologiska vätskor. Forskarnas vision är att en dag ladda nanopropellrarna med droger eller andra terapeutiska medel och styra dem till ett målområde, där de kan leverera medicinen dit den behövs.

Riktad tillförsel av läkemedel inuti tät biologisk vävnad är mycket utmanande, speciellt i dessa små skalor:För det första, det är den trögflytande konsistensen på insidan av ögongloben, den täta molekylära matrisen som en nanopropeller måste klämma igenom. Det fungerar som en barriär och förhindrar penetration av större strukturer. För det andra, även om storlekskraven är uppfyllda, de kemiska egenskaperna hos det biopolymera nätverket i ögat skulle fortfarande resultera i att nanopropellern fastnar i detta nät av molekyler. Föreställ dig en liten korkskruv som tar sig igenom en väv av dubbelhäftande tejp. Och för det tredje finns utmaningen med exakt aktivering. Detta senare övervinner forskarna genom att lägga till ett magnetiskt material, som järn, när man bygger nanopropellrarna, vilket gör att de kan styra borrarna med magnetfält till önskad destination. De andra hindren övervinner forskarna genom att göra varje nanopropeller inte större än 500 nm, och genom att applicera en tvåskiktad non-stick-beläggning. Det första lagret består av molekyler bundna till ytan, medan den andra är en beläggning med flytande fluorkolväte. Detta minskar dramatiskt vidhäftningskraften mellan nanorobotarna och den omgivande vävnaden.

"För beläggningen ser vi till naturen för inspiration, " förklarar den första författaren till studien Zhiguang Wu. Han var Humboldtforskare vid MPI-IS och är nu postdoc vid California Institute of Technology. "I det andra steget, vi applicerade ett vätskeskikt på den köttätande kannaplantan, som har en hal yta på peristomen för att fånga insekter. Det är som teflonbeläggningen på en stekpanna. Denna hala beläggning är avgörande för effektiv framdrivning av våra robotar inuti ögat, eftersom det minimerar vidhäftningen mellan det biologiska proteinnätverket i glaskroppen och ytan på våra nanorobotar."

"Principen för framdrivningen av nanorobotarna, deras lilla storlek, samt den hala beläggningen, kommer att vara användbart, inte bara i ögat, men för penetration av en mängd olika vävnader i människokroppen, " säger Tian Qiu, en av motsvarande författare till tidningen, och en gruppledare i Micro, Nano and Molecular Systems Lab vid MPI-IS.

Både Qiu och Wu ingår i ett internationellt forskarlag som arbetade med publikationen med titeln "En svärm av hala mikropropellrar penetrerar ögats glaskropp." Också, universitetet i Stuttgart, Max Planck-institutet för medicinsk forskning i Heidelberg, Harbin Institute of Technology i Kina, Århus universitet i Danmark och ögonsjukhuset vid universitetet i Tübingen bidrog till det banbrytande arbetet. Det var på ögonsjukhuset, där forskarna testade sina nanopropellrar i ett dissekerat grisöga och där de observerade propellrarnas rörelse med hjälp av optisk koherenstomografi, en kliniskt godkänd avbildningsteknik som används i stor utsträckning vid diagnostik av ögonsjukdomar.

Tvärs över ögat mot näthinnan

Med en liten nål, forskarna injicerade tiotusentals av sina spiralformade robotar av bakteriestorlek i ögats glaskropp. Med hjälp av ett omgivande magnetfält som roterar nanopropellrarna, de simmar sedan mot näthinnan, där svärmen landar. Halka nanorobotar tränger igenom ett öga. Att kunna kontrollera svärmen exakt i realtid var vad forskarna siktade på. Men det slutar inte här:teamet arbetar redan på en dag med att använda sina nanofordon för riktade leveransapplikationer. "Det är vår vision, " säger Tian Qiu. "Vi vill kunna använda våra nanopropellrar som verktyg i den minimalt invasiva behandlingen av alla typer av sjukdomar, där det problematiska området är svårt att nå och omges av tät vävnad. Inte så långt fram i tiden, vi kommer att kunna ladda dem med droger."

Det här är inte den första nanoroboten forskarna har utvecklat. Sedan flera år tillbaka, de har skapat olika typer av nanorobotar med hjälp av en sofistikerad 3D-tillverkningsprocess utvecklad av Micro, Forskningsgruppen för nano och molekylära system ledd av professor Peer Fischer. Miljarder nanorobotar kan tillverkas på bara några timmar genom att förånga kiseldioxid och andra material, inklusive järn, på en kiselwafer under högvakuum medan den vänder sig.