Les microrobots ont le potentiel de révolutionner la médecine. Des chercheurs du Max Planck ETH Center for Learning Systems ont maintenant développé une technique d'imagerie qui, pour la première fois, reconnaît les microrobots de la taille d'une cellule individuellement et à haute résolution dans un organisme vivant.

Comment retirer un caillot sanguin du cerveau sans intervention chirurgicale majeure ? Comment un médicament peut-il être délivré précisément dans un organe malade difficile à atteindre ? Ce ne sont là que deux exemples des innombrables innovations envisagées par les chercheurs dans le domaine de la microrobotique médicale. De minuscules robots promettent de changer fondamentalement les futurs traitements médicaux :un jour, ils pourraient se déplacer dans le système vasculaire du patient pour éliminer les tumeurs malignes, combattre les infections ou fournir des informations de diagnostic précises de manière entièrement non invasive. En principe, selon les chercheurs, le système circulatoire pourrait constituer une voie d'administration idéale pour les microrobots, car il atteint tous les organes et tissus du corps.

Pour que ces microrobots puissent effectuer les interventions médicales prévues de manière sûre et fiable, ils ne doivent pas être plus gros qu'une cellule biologique. Chez l'homme, une cellule a un diamètre moyen de 25 micromètres - un micromètre équivaut à un millionième de mètre. Les plus petits vaisseaux sanguins chez l'homme, les capillaires, sont encore plus fins :leur diamètre moyen n'est que de 8 micromètres. Les microrobots doivent être d'autant plus petits qu'ils doivent traverser sans encombre les plus petits vaisseaux sanguins. Cependant, une si petite taille les rend également invisibles à l'œil nu, et la science n'a pas encore trouvé de solution technique pour détecter et suivre individuellement les robots de la taille d'un micron lorsqu'ils circulent dans le corps.

Suivi des microrobots en circulation pour la première fois

"Avant que ce scénario futur ne devienne réalité et que des microrobots ne soient réellement utilisés chez l'homme, la visualisation et le suivi précis de ces minuscules machines sont absolument nécessaires", déclare Paul Wrede, doctorant au Max Planck ETH Center for Learnings Systems (CLS). .

"Sans imagerie, la microrobotique est essentiellement aveugle", ajoute Daniel Razansky, professeur d'imagerie biomédicale à l'ETH Zurich et à l'Université de Zurich et membre du CLS. "L'imagerie haute résolution en temps réel est donc essentielle pour détecter et contrôler les microrobots de la taille d'une cellule dans un organisme vivant." De plus, l'imagerie est également une condition préalable pour suivre les interventions thérapeutiques effectuées par les robots et vérifier qu'ils ont effectué leur tâche comme prévu. "Le manque de capacité à fournir une rétroaction en temps réel sur les microrobots était donc un obstacle majeur sur la voie de l'application clinique."

Avec Metin Sitti, un expert mondial en microrobotique qui est également membre du CLS en tant que directeur de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) et professeur d'intelligence physique à l'ETH, et d'autres chercheurs, l'équipe a maintenant réalisé un important percée dans la fusion efficace de la microrobotique et de l'imagerie. Dans une étude qui vient d'être publiée dans la revue scientifique Science Advances , ils ont réussi pour la première fois à détecter clairement et à suivre en temps réel de minuscules robots aussi petits que cinq micromètres dans les vaisseaux cérébraux de souris à l'aide d'une technique d'imagerie non invasive.

Les chercheurs ont utilisé des microrobots de tailles allant de 5 à 20 micromètres. Les plus petits robots ont à peu près la taille des globules rouges, soit 7 à 8 micromètres de diamètre. Cette taille permet aux microrobots injectés par voie intraveineuse de voyager même à travers les microcapillaires les plus fins du cerveau de la souris.

Les chercheurs ont également développé une technologie de tomographie optoacoustique dédiée afin de détecter réellement les minuscules robots un par un, en haute résolution et en temps réel. Cette méthode d'imagerie unique permet de détecter les minuscules robots dans des régions profondes et difficiles d'accès du corps et du cerveau, ce qui n'aurait pas été possible avec la microscopie optique ou toute autre technique d'imagerie. La méthode est appelée optoacoustique car la lumière est d'abord émise et absorbée par le tissu respectif. L'absorption produit alors de minuscules ondes ultrasonores qui peuvent être détectées et analysées pour donner des images volumétriques à haute résolution.

Robots à face de Janus avec couche d'or

Pour rendre les microrobots très visibles sur les images, les chercheurs avaient besoin d'un matériau de contraste adapté. Pour leur étude, ils ont donc utilisé des microrobots sphériques à base de particules de silice avec un revêtement dit de type Janus. Ce type de robot a une conception très robuste et est très bien qualifié pour les tâches médicales complexes. Il porte le nom du dieu romain Janus, qui avait deux visages. Dans les robots, les deux moitiés de la sphère sont revêtues différemment. Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont recouvert une moitié du robot de nickel et l'autre moitié d'or.

"L'or est un très bon agent de contraste pour l'imagerie optoacoustique", explique Razansky, "sans la couche dorée, le signal généré par les microrobots est tout simplement trop faible pour être détecté." En plus de l'or, les chercheurs ont également testé l'utilisation de petites bulles appelées nanoliposomes, qui contenaient un colorant vert fluorescent qui servait également d'agent de contraste. "Les liposomes ont également l'avantage de pouvoir les charger avec des médicaments puissants, ce qui est important pour les futures approches d'administration ciblée de médicaments", déclare Wrede, le premier auteur de l'étude. Les utilisations potentielles des liposomes seront étudiées dans une étude de suivi.

De plus, l'or permet également de minimiser l'effet cytotoxique du revêtement de nickel - après tout, si à l'avenir les microrobots doivent opérer sur des animaux vivants ou des humains, ils doivent être rendus biocompatibles et non toxiques, ce qui fait partie d'une recherche en cours . Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé du nickel comme support d'entraînement magnétique et un simple aimant permanent pour tirer les robots. Dans des études de suivi, ils veulent tester l'imagerie optoacoustique avec des manipulations plus complexes utilisant des champs magnétiques rotatifs.

"Cela nous donnerait la capacité de contrôler et de déplacer avec précision les microrobots même dans un sang qui coule fortement", explique Metin Sitti. "Dans la présente étude, nous nous sommes concentrés sur la visualisation des microrobots. Le projet a connu un énorme succès grâce à l'excellent environnement collaboratif au CLS qui a permis de combiner l'expertise des deux groupes de recherche du MPI-IS à Stuttgart pour la partie robotique et de l'ETH Zurich pour la partie robotique. la partie imagerie », conclut Sitti. + Explorer plus loin

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