UNSW-ingenjörer har visat att mikroubåtar som drivs av nanomotorer kan navigera i människokroppen för att tillhandahålla riktad läkemedelsleverans till sjuka organ utan behov av yttre stimulans.

Cancer i människokroppen kan en dag behandlas med små, självgående "mikroubåtar" som levererar medicin till drabbade organ efter att UNSW Sydney kemiska och biomedicinska ingenjörer visat att det var möjligt.

I ett papper publicerat i Material idag , ingenjörerna förklarar hur de utvecklat ubåtar i mikrometerstorlek som utnyttjar biologiska miljöer för att justera deras flytkraft, gör det möjligt för dem att bära droger till specifika platser i kroppen.

Motsvarande författare Dr. Kang Liang, med både School of Biomedical Engineering och School of Chemical Engineering vid UNSW, säger att kunskapen kan användas för att designa nästa generations "mikromotorer" eller nano-läkemedelsleveransfordon, genom att tillämpa nya drivkrafter för att nå specifika mål i kroppen.

"Vi vet redan att mikromotorer använder olika yttre drivkrafter-som ljus, värme eller magnetfält - för att aktivt navigera till en specifik plats, " säger Dr Liang.

"I denna forskning, vi designade mikromotorer som inte längre förlitar sig på extern manipulation för att navigera till en specifik plats. Istället, de drar fördel av variationer i biologiska miljöer för att automatiskt navigera sig själva."

Det som gör dessa partiklar i mikrostorlek unika är att de reagerar på förändringar i biologiska pH-miljöer för att självjustera sin flytförmåga. På samma sätt som ubåtar använder syre eller vatten för att översvämma barlastpunkter för att göra dem mer eller mindre flytande, gasbubblor som frigörs eller kvarhålls av mikromotorerna på grund av pH-förhållandena i mänskliga celler bidrar till att dessa nanopartiklar rör sig uppåt eller nedåt.

Detta är viktigt inte bara för medicinska tillämpningar, men för mikromotorer i allmänhet.

"De flesta mikromotorer reser på ett tvådimensionellt sätt, " säger Dr Liang.

"Men i detta arbete, Vi konstruerade en vertikal riktningsmekanism. Vi kombinerade dessa två koncept för att komma med en design av autonoma mikromotorer som rör sig på ett 3D-sätt. Detta kommer att möjliggöra deras slutliga användning som smarta läkemedelsleveransfordon i framtiden."

Dr Liang illustrerar ett möjligt scenario där läkemedel tas oralt för att behandla en cancer i magen eller tarmarna. För att ge en uppfattning om skalan, han säger att varje kapsel med medicin kan innehålla miljontals mikroubåtar, och inom varje mikroubåt skulle finnas miljontals läkemedelsmolekyler.

"Tänk dig att du sväljer en kapsel för att rikta en cancer i mag -tarmkanalen, " han säger.

"Väl i mag-tarmvätskan, mikroubåtarna som transporterade läkemedlet kunde frigöras. Inuti vätskan, de skulle kunna resa till den övre eller nedre regionen beroende på patientens orientering.

"De läkemedelsbelastade partiklarna kan sedan internaliseras av cellerna på cancersidan. Väl inne i cellerna, de kommer att försämras och orsaka frisättning av läkemedlen för att bekämpa cancern på ett mycket riktat och effektivt sätt."

För att mikroubåtarna ska hitta sitt mål, en patient skulle behöva orienteras på ett sådant sätt att cancer eller sjukdom som behandlas antingen är uppåt eller nedåt - med andra ord, en patient skulle antingen vara upprätt eller ligga.

Dr Liang säger att de så kallade mikroubåtarna i huvudsak är sammansatta metall-organiska ramverk (MOF)-baserade mikromotorsystem som innehåller ett bioaktivt enzym (katalas, CAT) som motor för gasbubbla. Han betonar att han och hans kollegors forskning befinner sig i proof-of-concept-stadiet, med år av tester som måste slutföras innan detta kan bli verklighet.

Dr Liang säger att forskargruppen - som består av ingenjörer från UNSW, University of Queensland, Stanford University och University of Cambridge — kommer också att titta utanför medicinska applikationer för dessa nya multiriktade nanomotorer.

"Vi planerar att tillämpa detta nya fynd på andra typer av nanopartiklar för att bevisa mångsidigheten i denna teknik, " han säger.