UNSW-ingenieurs hebben aangetoond dat micro-onderzeeërs aangedreven door nanomotoren door het menselijk lichaam kunnen navigeren om gerichte medicijnafgifte aan zieke organen te bieden zonder de noodzaak van externe prikkels.

Kankers in het menselijk lichaam kunnen op een dag worden behandeld door kleine, zelfrijdende "micro-onderzeeërs" die medicijnen afleverden aan aangetaste organen nadat chemische en biomedische ingenieurs van UNSW Sydney hadden bewezen dat het mogelijk was.

In een paper gepubliceerd in Materialen vandaag , de ingenieurs leggen uit hoe ze onderzeeërs ter grootte van een micrometer ontwikkelden die biologische omgevingen exploiteren om hun drijfvermogen af ​​te stemmen, waardoor ze medicijnen naar specifieke locaties in het lichaam kunnen vervoeren.

Corresponderende auteur Dr. Kang Liang, met zowel de School of Biomedical Engineering als de School of Chemical Engineering aan de UNSW, zegt dat de kennis kan worden gebruikt om de volgende generatie "micromotoren" of voertuigen voor het afleveren van nanodrugs te ontwerpen, door nieuwe drijvende krachten toe te passen om specifieke doelen in het lichaam te bereiken.

"We weten al dat micromotoren verschillende externe drijvende krachten gebruiken, zoals licht, warmte of magnetisch veld - om actief naar een specifieke locatie te navigeren, " zegt Dr. Liang.

"Bij dit onderzoek we hebben micromotoren ontworpen die niet langer afhankelijk zijn van externe manipulatie om naar een specifieke locatie te navigeren. In plaats daarvan, ze profiteren van variaties in biologische omgevingen om zichzelf automatisch te navigeren."

Wat deze microdeeltjes uniek maakt, is dat ze reageren op veranderingen in biologische pH-omgevingen om hun drijfvermogen zelf aan te passen. Op dezelfde manier dat onderzeeërs zuurstof of water gebruiken om ballastpunten te laten overstromen om ze min of meer drijvend te maken, gasbellen die vrijkomen of worden vastgehouden door de micromotoren als gevolg van de pH-omstandigheden in menselijke cellen, dragen ertoe bij dat deze nanodeeltjes omhoog of omlaag bewegen.

Dit is niet alleen belangrijk voor medische toepassingen, maar voor micromotoren in het algemeen.

"De meeste micromotoren reizen op een 2-dimensionale manier, " zegt Dr. Liang.

"Maar in dit werk we hebben een verticaal richtingsmechanisme ontworpen. We hebben deze twee concepten gecombineerd om te komen tot een ontwerp van autonome micromotoren die op een 3D-manier bewegen. Dit zal hun uiteindelijke gebruik als slimme voertuigen voor het afleveren van medicijnen in de toekomst mogelijk maken."

Dr. Liang illustreert een mogelijk scenario waarbij medicijnen oraal worden ingenomen om kanker in de maag of darmen te behandelen. Om een ​​idee te geven van de schaal, hij zegt dat elke medicijncapsule miljoenen micro-onderzeeërs kan bevatten, en binnen elke micro-onderzeeër zouden miljoenen medicijnmoleculen zijn.

"Stel je voor dat je een capsule inslikt om een ​​kanker in het maagdarmkanaal aan te pakken, " hij zegt.

"Eenmaal in de maag-darmvloeistof, de micro-onderzeeërs die het medicijn vervoerden, zouden kunnen worden vrijgelaten. Binnen de vloeistof, ze kunnen naar het bovenste of onderste gebied reizen, afhankelijk van de oriëntatie van de patiënt.

"De met medicijnen beladen deeltjes kunnen vervolgens door de cellen op de plaats van de kanker worden geïnternaliseerd. Eenmaal in de cellen, ze zullen worden afgebroken, waardoor de medicijnen vrijkomen om de kanker op een zeer gerichte en efficiënte manier te bestrijden."

Voor de micro-onderzeeërs om hun doel te vinden, een patiënt zou op zo'n manier moeten worden georiënteerd dat de kanker of aandoening die wordt behandeld, omhoog of omlaag is, met andere woorden, een patiënt zou rechtop of liggend zijn.

Dr. Liang zegt dat de zogenaamde micro-onderzeeërs in wezen op samengestelde metaal-organische raamwerken (MOF) gebaseerde micromotorsystemen zijn die een bioactief enzym (catalase, CAT) als motor voor het genereren van gasbellen. Hij benadrukt dat het onderzoek van hem en zijn collega's zich in de proof-of-concept-fase bevindt, met jaren van testen die moeten worden voltooid voordat dit een realiteit kan worden.

Dr. Liang zegt dat het onderzoeksteam, bestaande uit ingenieurs van UNSW, Universiteit van Queensland, Stanford University en University of Cambridge zullen ook buiten medische toepassingen kijken naar deze nieuwe multidirectionele nanomotoren.

"We zijn van plan deze nieuwe bevinding toe te passen op andere soorten nanodeeltjes om de veelzijdigheid van deze techniek te bewijzen, " hij zegt.