Liksom en mikroskopisk hinkbrigad kan en konstgjord mikrotubuli snabbt transportera små partiklar längs magnetiska stegstenar och leverera dem till en exakt plats även när den arbetar mot en stark ström.

Tekniken, utvecklad av ett team från University of Pennsylvania och ETH Zürich, kan en dag underlätta leveransen av riktade terapier genom blodomloppet för att behandla blockerade kärl eller cancertumörer.

Resultaten publiceras i tidskriften Nature Machine Intelligence .

Forskare har utforskat potentialen hos mikrorobotar att "simma" i blodomloppet som ett sätt att styra droger till exakt den plats där de behövs. Nackdelen med detta tillvägagångssätt är att fritt simmande mikrorobotar kämpar för att göra framsteg mot de komplexa vätskeflöden som finns inuti människokroppen.

"Som ett resultat ser du ofta spridning av de partiklar som du skulle vilja leverera", säger Arnold Mathijssen, motsvarande författare på verket och biträdande professor vid Penns institution för fysik och astronomi. "Det du egentligen skulle vilja uppnå är att ha den största koncentrationen av läkemedlet på ett ställe och inte låta det spridas någon annanstans, eftersom det kan resultera i toxicitet."

Katetrar och mikronålar har hittills varit de valda teknikerna för att slutföra dessa riktade ingrepp. Ändå kan katetrar bara miniatyriseras så långt innan de saknar den pumpkraft som krävs för att transportera mikroskopisk last. På samma sätt är även mikronålar fortfarande för stora för att nå de smalaste blodkärlen.

För att övervinna dessa hinder sökte Mathijssen och kollegor till biologi för inspiration.

"När du tittar i naturen, inuti celler finns det en vacker lösning", säger Mathijssen. "Mikrotubuli, som är en del av cytoskelettet, använder molekylära motorer för att transportera vesiklar till olika platser i cellen. Dessa motorer hittar ett sätt att hantera de fluktuationer i flödet som vi ser i blodkärlen och på andra ställen i kroppen. Vi ville försök att syntetisera något liknande i en nanoteknikmiljö för att se om vi kan använda det som en effektiv leveransmekanism."

Deras bioinspirerade design var en konstgjord mikrotubuli, tillverkad först i Schweiz och senare vid Penns Singh Center for Nanotechnology. Dessa tunna fibrer, sammansatta av tvärbundna polymerer för att ge dem elasticitet, var inbäddade med magnetiska plattor gjorda av nickel, insprängda på definierade avstånd som stegstenar. Bara 80 mikron breda skulle mikrotubulierna vara tillräckligt smala för att glida genom smala blodkärl.

Genom att applicera ett roterande magnetfält runt de konstgjorda mikrotubulierna förvandlas nickelstegstenarna till magneter, längs vilka en last av metallmikrorobotar "går", en till nästa.

"Vi placerar mikrotubulierna i ett roterande magnetfält, precis som en MRI-maskin," säger Mathijssen. "Om du roterar fältet långsamt, rör sig partiklarna långsamt, och när du roterar snabbare ökar partiklarna också."

Det fanns en "sweet spot" i magnetfältets styrka, fann forskarna; roterande för snabbt fick partiklarna att glida på ytan och spridas bort från mikrotubuli.

I experiment som testade transportmekanismens prestanda i blodkärlsliknande nätverk fann forskargruppen att mikropartiklarna kunde färdas längs mikrotubulusfibern även när de utsätts för starka vätskeflöden, inställda för att replikera dynamiken i blodflödet. Jämfört med befintliga teknologier gick leveransen av mikrolast snabbt, en storleksordning snabbare. Och finjusteringar av magnetfältet säkerställde att lasten kunde levereras exakt till den avsedda platsen, även i komplexa fartygsnätverk.

Denna nya innovation hämtar inte bara från naturen, men Mathijssen noterar att den i sin tur kan ge insikter i hur biologiska system fungerar. Han och hans kollegor observerade att när mikropartiklarna förflyttade sig mellan trappstenar, monterade de sig själv och bildade klumpar, var och en bunden till en av trappstenarna. Så småningom skulle de sammansatta partiklarna driva varandra framåt i en kollektiv ansträngning. Medan några andra grupper har föreslagit att detta kan inträffa inuti celler för att förbättra cytoskeletttransporten, ger detta arbete det första experimentella beviset på framdrivningsprincipen.

"Ibland bygger man något i labbet och det kan berätta något nytt om biologi", säger han.

För att tillämpa denna mikropartikeltransportstrategi i det riktiga ordet, föreställer sig forskarna att byta ut nickel, som är giftigt, mot andra material, såsom järnoxid, som redan är FDA-godkänd för internt bruk. De håller också ett öppet sinne om hur mikrotubulierna kan användas. Riktad läkemedelstillförsel och avlägsnande av blodkärlsplack är uppenbara tillämpningar, men Mathijssen föreställer sig också fördelarna med en tvådimensionell fiber. Lindad runt medicinsk utrustning. En sådan enhet skulle kunna leverera antimikrobiella medel för att förhindra tillväxten av farliga bakteriella biofilmer.

"Vi tror att dessa "mikromotorvägar för mikrorobotar" kan ge en alternativ lösning till frisimmande mikrorobotar och andra aktuella teknologier, säger han, "att föra robust biomedicinsk mikrotransport mycket närmare verkligheten." + Utforska vidare

Bakteriebaserade biohybridmikrorobotar på uppdrag att en dag bekämpa cancer