Искусственные микротрубочки, вдохновленные природой, могут транспортировать нано-грузы против течения
Подобно микроскопической цепочке, искусственная микротрубочка может быстро перемещать крошечные частицы по магнитным "ступенькам", доставляя их в точное место назначения даже против сильного течения.
Технология, разработанная совместной командой из Пенсильванского университета и ETH Zürich, в будущем может облегчить доставку таргетных препаратов через кровоток для лечения закупоренных сосудов или раковых опухолей. Результаты опубликованы в журнале Nature Machine Intelligence.
Проблема свободного плавания
Основной недостаток свободно плавающих микророботов — их неспособность эффективно продвигаться против сложных потоков жидкостей в организме человека, что приводит к дисперсии терапевтических частиц и потенциальной токсичности. Катетеры и микроиглы также имеют ограничения по миниатюризации и не могут достичь самых узких кровеносных сосудов.
Биовдохновленный дизайн
Ученые создали искусственный аналог клеточных микротрубочек — эластичные волокна шириной 80 микрон из сшитых полимеров. В них были встроены магнитные пластины из никеля, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, как "ступеньки".
Принцип работы
При помещении в вращающееся магнитное поле (аналогичное МРТ) никелевые ступеньки намагничиваются. Металлические микророботы-грузы "шагают" от одной ступеньки к другой. Скорость движения зависит от скорости вращения поля, при этом существует оптимальная "зона" силы поля: слишком быстрое вращение приводит к проскальзыванию и рассеиванию частиц.
Результаты испытаний
В экспериментах, имитирующих сети кровеносных сосудов, микророботы успешно перемещались по волокну даже против сильного потока жидкости. Скорость доставки оказалась на порядок выше, чем у существующих технологий. Точная настройка магнитного поля обеспечивала адресную доставку груза даже в сложных сетях.
Научное открытие
Исследователи впервые экспериментально наблюдали, как частицы при движении между ступеньками самоорганизуются в сгустки и, будучи привязанными к ступенькам, коллективно толкают друг друга вперед. Этот принцип коллективного движения ранее лишь предполагался для внутриклеточного транспорта.
Будущее применение
Для реального применения в медицине токсичный никель планируется заменить на одобренные FDA материалы, например, оксид железа. Потенциальные применения включают:
- Таргетную доставку лекарств.
- Удаление бляшек в сосудах.
- Создание двумерных волокон для покрытия медицинских имплантатов с целью доставки антимикробных агентов и предотвращения образования бактериальных биопленок.
Эта технология "микромагистралей для микророботов" предлагает альтернативу свободно плавающим микророботам и может приблизить надежный биомедицинский микротранспорт к реальности.