Onderzoekers van de Micro, Nano en Molecular Systems Lab aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, samen met een internationaal team van wetenschappers, hebben propellervormige nanorobots ontwikkeld die, Voor de eerste keer, zijn in staat om door dicht weefsel te boren, zoals gebruikelijk is in een oog. Ze brachten een antiaanbaklaag aan op de nanopropellers, die slechts 500 nm breed zijn - precies klein genoeg om door de strakke moleculaire matrix van de gelachtige substantie in het glasvocht te passen. De boren zijn 200 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar, zelfs kleiner dan de breedte van een bacterie. Door hun vorm en hun gladde coating kunnen de nanopropellers relatief ongehinderd door een oog bewegen, zonder het gevoelige biologische weefsel eromheen te beschadigen. Dit is de eerste keer dat wetenschappers nanorobots door dicht weefsel kunnen sturen. tot nu, het is alleen aangetoond in modelsystemen of biologische vloeistoffen. De visie van de onderzoekers is om op een dag de nanopropellers te laden met medicijnen of andere therapeutische middelen en ze naar een gericht gebied te sturen, waar ze de medicatie kunnen afleveren waar het nodig is.

Gerichte medicijnafgifte in dicht biologisch weefsel is een hele uitdaging, vooral op deze kleine schaal:ten eerste, het is de stroperige consistentie van de binnenkant van de oogbol, de strakke moleculaire matrix waar een nanopropeller doorheen moet. Het fungeert als een barrière en voorkomt het binnendringen van grotere constructies. Ten tweede, zelfs als aan de maatvereisten is voldaan, de chemische eigenschappen van het biopolymere netwerk in het oog zouden er nog steeds toe leiden dat de nanopropeller vast komt te zitten in dit netwerk van moleculen. Stel je een kleine kurkentrekker voor die zich een weg baant door een web van dubbelzijdig plakband. En ten derde is er de uitdaging van nauwkeurige bediening. Dit laatste overwinnen de wetenschappers door een magnetisch materiaal toe te voegen, zoals ijzer, bij het bouwen van de nanopropellers, waardoor ze de boren met magnetische velden naar de gewenste bestemming kunnen sturen. De andere obstakels die de onderzoekers overwinnen door elke nanopropeller niet groter te maken dan 500 nm, en door het aanbrengen van een tweelaagse antiaanbaklaag. De eerste laag bestaat uit moleculen gebonden aan het oppervlak, terwijl de tweede een coating is met vloeibare fluorkoolstof. Dit vermindert drastisch de houdkracht tussen de nanorobots en het omringende weefsel.

"Voor de coating kijken we naar de natuur voor inspiratie, " legt de eerste auteur van het onderzoek Zhiguang Wu uit. Hij was een Humboldt Research Fellow aan de MPI-IS en is nu een postdoc aan het California Institute of Technology. "In de tweede stap, we hebben een vloeibare laag aangebracht op de vleesetende bekerplant, die een glad oppervlak op de peristome heeft om insecten te vangen. Het is als de teflonlaag van een koekenpan. Deze gladde coating is cruciaal voor de efficiënte voortstuwing van onze robots in het oog, omdat het de adhesie tussen het biologische eiwitnetwerk in het glasvocht en het oppervlak van onze nanorobots minimaliseert."

"Het principe van de voortstuwing van de nanorobots, hun kleine formaat, evenals de gladde coating, zal nuttig zijn, niet alleen in het oog, maar voor de penetratie van een verscheidenheid aan weefsels in het menselijk lichaam, " zegt Tian Qiu, een van de corresponderende auteurs van het artikel, en een groepsleider in de Micro, Nano en Molecular Systems Lab aan de MPI-IS.

Zowel Qiu als Wu maken deel uit van een internationaal onderzoeksteam dat werkte aan de publicatie met de titel "A swarm of gladde micropropellers penetreert het glasachtig lichaam van het oog." Ook, de universiteit van Stuttgart, het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek in Heidelberg, het Harbin Instituut voor Technologie in China, De universiteit van Aarhus in Denemarken en het oogziekenhuis van de universiteit van Tübingen droegen bij aan het baanbrekende werk. Het was in het oogziekenhuis, waar de onderzoekers hun nanopropellers testten in een ontleed varkensoog en waar ze de beweging van de propellers observeerden met behulp van optische coherentietomografie, een klinisch goedgekeurde beeldvormingstechniek die veel wordt gebruikt bij de diagnostiek van oogziekten.

Over het oog naar het netvlies

Met een kleine naald, de onderzoekers injecteerden tienduizenden van hun spiraalvormige robots ter grootte van een bacterie in het glasvocht van het oog. Met behulp van een omringend magnetisch veld dat de nanopropellers roteert, ze zwemmen dan naar het netvlies, waar de zwerm landt. Gladde nanorobots dringen een oog binnen. Het doel van de onderzoekers was om de zwerm in realtime nauwkeurig te kunnen controleren. Maar hier houdt het niet op:het team is al bezig om hun nano-voertuigen op een dag te gebruiken voor gerichte bezorgtoepassingen. “Dat is onze visie, ", zegt Tian Qiu. "We willen onze nanopropellers kunnen gebruiken als hulpmiddelen bij de minimaal invasieve behandeling van allerlei ziekten, waar het probleemgebied moeilijk te bereiken is en omgeven is door dicht weefsel. Niet te ver in de toekomst, we zullen in staat zijn om ze met drugs te vullen."

Dit is niet de eerste nanorobot die de onderzoekers hebben ontwikkeld. Sinds een aantal jaren, ze hebben verschillende soorten nanorobots gemaakt met behulp van een geavanceerd 3D-productieproces dat is ontwikkeld door de Micro, Onderzoeksgroep Nano and Molecular Systems onder leiding van professor Peer Fischer. Miljarden nanorobots kunnen in slechts een paar uur worden gemaakt door siliciumdioxide en andere materialen te verdampen, inclusief ijzer, op een siliciumwafel onder hoog vacuüm terwijl het draait.