Alors que les microrobots à nage libre ont été explorés comme moyen de délivrer avec précision des agents thérapeutiques dans un vaisseau sanguin, ils peuvent se disperser dans les flux forts, sans atteindre leur cible à des concentrations suffisamment élevées. En revanche, les microrobots propulsés le long d'un microtubule artificiel, développé par le physicien Arnold Mathijssen et ses collègues, peuvent être transportés avec précision, même à contre-courant. Crédit :Arnold Mathijssen/Nature Machine Intelligence
Comme une brigade de seaux microscopiques, un microtubule artificiel peut transporter rapidement de minuscules particules le long de tremplins magnétiques, les livrant à un emplacement précis même lorsqu'ils fonctionnent contre un courant fort.
La technologie, développée par une équipe de l'Université de Pennsylvanie et de l'ETH Zürich, pourrait un jour faciliter l'administration de thérapies ciblées par la circulation sanguine pour traiter les vaisseaux bloqués ou les tumeurs cancéreuses.
Les résultats sont publiés dans la revue Nature Machine Intelligence .
Les chercheurs ont exploré le potentiel des microrobots à "nager" dans la circulation sanguine afin de diriger les médicaments vers l'endroit exact où ils sont nécessaires. L'inconvénient de cette approche est que les microrobots nageant librement ont du mal à progresser contre les flux de fluides complexes qui existent à l'intérieur du corps humain.
"En conséquence, vous voyez souvent la dispersion des particules que vous aimeriez livrer", explique Arnold Mathijssen, auteur correspondant sur le travail et professeur adjoint au département de physique et d'astronomie de Penn. "Ce que vous aimeriez vraiment obtenir, c'est d'avoir la plus grande concentration de produit thérapeutique sur un site et de ne pas le disperser ailleurs, car cela pourrait entraîner une toxicité."
Les cathéters et les micro-aiguilles ont jusqu'à présent été les techniques de choix pour compléter ces interventions dirigées. Pourtant, les cathéters ne peuvent être miniaturisés que jusqu'à présent avant de manquer de la force de pompage nécessaire pour transporter une cargaison microscopique. De même, même les micro-aiguilles sont encore trop grosses pour atteindre les vaisseaux sanguins les plus étroits.
Pour surmonter ces obstacles, Mathijssen et ses collègues se sont inspirés de la biologie.
"Lorsque vous regardez dans la nature, à l'intérieur des cellules, il y a une belle solution", déclare Mathijssen. "Les microtubules, qui font partie du cytosquelette, utilisent des moteurs moléculaires pour transporter les vésicules à différents endroits de la cellule. Ces moteurs trouvent un moyen de faire face aux fluctuations de débit que nous voyons dans les vaisseaux sanguins et ailleurs dans le corps. Nous voulions essayez de synthétiser quelque chose de similaire dans un contexte de nanotechnologie pour voir si nous pourrions l'utiliser comme un mécanisme de livraison efficace."
Leur conception bio-inspirée était un microtubule artificiel, fabriqué d'abord en Suisse, puis au Penn's Singh Center for Nanotechnology. Ces fines fibres, composées de polymères réticulés pour leur donner de l'élasticité, étaient incrustées de plaques magnétiques en nickel, intercalées à des distances définies comme des tremplins. D'une largeur de seulement 80 microns, les microtubules seraient suffisamment étroits pour passer à travers les vaisseaux sanguins étroits.
L'application d'un champ magnétique rotatif autour des microtubules artificiels transforme les tremplins en nickel en aimants, le long desquels une cargaison de microrobots métalliques "marchent" l'un après l'autre.
"Nous plaçons les microtubules dans un champ magnétique rotatif, tout comme un appareil d'IRM", explique Mathijssen. "Si vous faites pivoter le champ lentement, les particules se déplacent lentement, et lorsque vous tournez plus vite, les particules accélèrent également."
Il y avait un "sweet spot" dans l'intensité du champ magnétique, ont découvert les scientifiques; une rotation trop rapide a fait glisser les particules sur la surface et s'est éloignée du microtubule.
Dans des expériences testant les performances du mécanisme de transport dans des réseaux de type vaisseau sanguin, l'équipe de recherche a découvert que les microparticules pouvaient voyager le long de la fibre de microtubules même lorsqu'elles étaient soumises à de forts flux de fluides, réglés pour reproduire le dynamisme du flux sanguin. Par rapport aux technologies existantes, la livraison des microcargos s'est déroulée rapidement, un ordre de grandeur plus rapide. Et des ajustements précis du champ magnétique garantissaient que la cargaison pouvait être livrée avec précision à l'emplacement prévu, même dans des réseaux de navires complexes.
Non seulement cette nouvelle innovation s'inspire de la nature, mais Mathijssen note qu'elle peut à son tour donner un aperçu du fonctionnement des systèmes biologiques. Lui et ses collègues ont observé que, lorsque les microparticules se déplaçaient entre les tremplins, elles s'auto-assemblaient, formant des amas, chacun attaché à l'un des tremplins. Finalement, les particules assemblées se pousseraient mutuellement vers l'avant dans un effort collectif. Alors que quelques autres groupes ont suggéré que cela pourrait se produire à l'intérieur des cellules pour améliorer le transport cytosquelettique, ce travail fournit la première preuve expérimentale du principe de propulsion.
"Parfois, vous construisez quelque chose en laboratoire et cela peut vous apprendre quelque chose de nouveau sur la biologie", dit-il.
Pour appliquer concrètement cette stratégie de transport de microparticules, les chercheurs envisagent de remplacer le nickel, qui est toxique, par d'autres matériaux, comme l'oxyde de fer, déjà approuvé par la FDA pour un usage interne. Ils gardent également un esprit ouvert quant à la manière dont les microtubules pourraient être utilisés. L'administration ciblée de médicaments et l'élimination de la plaque vasculaire sont des applications évidentes, mais Mathijssen imagine également les avantages d'une fibre bidimensionnelle. Enroulé autour de dispositifs médicaux. Un tel appareil pourrait fournir des antimicrobiens pour empêcher la croissance de biofilms bactériens dangereux.
"Nous pensons que ces" microautoroutes pour microrobots "peuvent fournir une solution alternative aux microrobots nageant librement et à d'autres technologies actuelles", dit-il, "ramenant le microtransport biomédical robuste beaucoup plus près de la réalité". Microrobots biohybrides à base de bactéries en mission pour combattre un jour le cancer
