Микророботы для точной доставки лекарств
Микророботы, сформированные в каплях, могут обеспечить точную доставку лекарств, улучшая внутривенную доставку, которая, согласно недавнему исследованию в Science Advances, проведённому с помощью моделирования в Мичиганском университете и экспериментов в Оксфордском университете, доставляет только 0,7% препарата в целевую ткань.
Эксперимент, имитирующий лечение воспалительного заболевания кишечника, был проведён на кишечнике свиньи. Микророботы были доставлены через катетер и направлены в целевую зону с помощью магнитного поля. Микророботы представляют собой двусторонние частицы, состоящие из геля, который может переносить лекарства, и магнитов, обеспечивающих их управление.
В эксперименте с кишечником, когда гель растворялся, он доставлял краситель, который команда обнаружила, чтобы убедиться, что химическое вещество достигло целевой зоны. Они также протестировали отсроченный выпуск, при котором некоторые гели растворялись в течение более длительных периодов времени. После доставки магнитные частицы направлялись обратно к катетеру и извлекались.
Если микророботы будут распределяться в нескольких местах, это может улучшить лечение воспалительного заболевания кишечника. Например, путём доставки нескольких препаратов, таких как стероиды, иммунодепрессанты и регенеративные агенты, в различные участки воспаления вдоль кишечника.
Команда также протестировала применение в малоинвазивной хирургии на модели человеческого колена. Микророботы были выпущены в легкодоступной области, затем маневрировали к труднодоступной целевой зоне для доставки красителя, прежде чем вернуться к месту входа для извлечения.
«С помощью этой работы мы приближаемся к очень продвинутой терапевтической доставке. Наши передовые технологии производства позволяют создавать мягкие роботизированные системы с замечательными функциями и возможностями движения», — сказала Молли Стивенс, профессор бионаук Джона Блэка в Институте биомедицинской инженерии Оксфордского университета и соавтор исследования.
Как создаются микророботы
Частицы, из которых состоят микророботы, изготавливаются путём пропускания потока геля, содержащего магнитные частицы, через узкий канал. Поток масла поступает в устройство и пересекает гель, отделяя равномерно распределённые капли. Магнитные гелевые частицы опускаются на дно капли, а пустой гель плавает сверху.
Полученные устройства, называемые постоянными магнитными микророботами, полученными из капель (PMDM), имеют размер около 0,2 миллиметра, что соответствует ширине двух человеческих волос.
«Традиционное производство микророботов имеет очень низкую производительность. Используя микрофлюидику, мы можем генерировать сотни микророботов в течение нескольких минут. Это значительно повышает эффективность и снижает стоимость производства», — сказал Юаньсюн Цао, докторант в группе Стивенс в Оксфордском университете и соавтор исследования.
Моделирование предсказывало и затем точно настраивало движение микророботов в ответ на определённые частоты магнитного поля. Моделируемые полосы препятствий служили испытательным полигоном для управления микророботами в сложных условиях.
Физическая система использует электромагнит, управляемый коммерческим программным обеспечением, для создания магнитных полей, которые формируют и перемещают похожие на гусениц цепи микророботов. Цепи движутся тремя разными способами, которые исследователи называют ходьбой, ползанием или раскачиванием. Они могут разбираться и собираться по команде, что помогает им преодолевать узкие проходы или другие препятствия.
«Я был поражён, увидев, какой контроль у нас есть над различными частицами, особенно в отношении циклов сборки и разборки, основанных на частоте магнитного поля», — сказал Филипп Шёнхёфер, соавтор исследования и исследователь в области химической инженерии в группе Шэрон Глотцер, заведующей кафедрой химического машиностроения Энтони С. Лембке в Мичиганском университете и соавтором исследования.
В качестве следующего шага исследовательская группа разрабатывает новых микророботов, которые смогут лучше ориентироваться в сложных условиях. Они будут тестировать различные частицы в эмульсиях, чтобы понять, как они притягиваются друг к другу, и изучать поведение более крупных роёв частиц в различных магнитных полях.
«С помощью нашей вычислительной платформы мы также разработали площадку для изучения ещё более широкого пространства проектирования, что уже породило идеи для более сложных архитектур микророботов, вдохновлённых концепцией PMDM», — сказал Шёнхёфер.
Исследователи из Имперского колледжа Лондона также внесли свой вклад в исследование.
Предоставлено:
* [Университет Мичигана](https://phys.org/partners/university-of-michigan/)