Il progetto di ricerca Celloids intende realizzare microrobot capaci di muoversi attraverso i tessuti che consentirebbero procedure mediche rivoluzionarie e lo studio della migrazione di cellule immunitarie o tumorali

 

Nell’ambito delle applicazioni mediche i microrobot hanno un grande potenziale. Tuttavia per costruirli non basta semplicemente miniaturizzare le tecnologie robotiche esistenti, a causa di alcune caratteristiche limitanti. Tra queste un ostacolo importante è costituito dall’incapacità di muoversi efficacemente nei fluidi corporei e nei tessuti.

 

Consentire ai microrobot di spostarsi per raggiungere il loro obiettivo è un compito piuttosto impegnativo, per il quale gli scienziati spesso cercano ispirazione nella natura. I ricercatori esaminano principalmente microrganismi semplici come i batteri e, in una certa misura, gli spermatozoi. Nonostante la mancanza di un sistema nervoso centrale, gli spermatozoi possono infatti nuotare nei fluidi, così come percepire e agire in risposta all’ambiente.

“La maggior parte degli scienziati desidera sviluppare microrobot in grado di muoversi nel flusso sanguigno o in altri fluidi corporei. Tuttavia, la mia ricerca di frontiera mira a creare microrobot in grado di muoversi all’interno dei tessuti”, afferma Stefano Palagi, assistente professore presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e ricercatore principale del progetto Celloids, finanziato dallo European Reserch Council. Il suo obiettivo è creare un metodo radicalmente nuovo per la progettazione di microrobot. Palagi e il suo team intendono infatti sviluppare piccoli robot autonomi con circa le stesse dimensioni, consistenza e capacità di muoversi delle cellule immunitarie. In particolare, vogliono creare microrobot ispirati ai globuli bianchi, che sono le cellule più veloci a muoversi attraverso i tessuti del corpo cambiando la loro forma. La loro consistenza gli consente in particolare di muoversi attraverso minuscole aperture senza rompere il tessuto circostante. Dei microrobot intelligenti capaci di trovare il proprio percorso attraverso i tessuti del corpo potrebbero consentire molte procedure mediche rivoluzionarie, tra cui la somministrazione mirata di farmaci, il monitoraggio a lungo termine e interventi non invasivi in organi come il cervello.

 

Comportamento intelligente e autonomia supervisionata

Durante il monitoraggio tramite varie tecniche di imaging la maggior parte dei microrobot esistenti vengono controllati esternamente, ad esempio modificando la direzione e l’intensità di un campo magnetico esterno. Tuttavia, le attuali tecnologie di imaging medico non consentono agli scienziati di vedere, a livello di microscala e in tempo reale, le aperture e gli ostacoli che i microrobot incontrano nei tessuti. È come guidare alla cieca.

Per far fronte a questa debolezza, Palagi intende realizzare qualcosa come ‘un’autonomia vigilata’, che consentirebbe ai microrobot di esibire comportamenti intelligenti, simili a quelli delle cellule, percependo le condizioni nell’ambiente, navigando autonomamente ed evitando gli ostacoli, pur essendo supervisionati dall’esterno. “Senza sensori o microchip a bordo, questo diventa estremamente difficile da progettare e costruire. Lo affronteremo con un approccio dal basso, partendo dalla materia di cui sono fatti i nostri microrobot”, aggiunge Palagi.

Il team del progetto esplorerà prima come costruire i microrobot basati su nanoparticelle attive che possono muoversi, ad esempio, utilizzando energie prese dal loro ambiente oppure in risposta a gradienti chimici (differenze nella concentrazione di sostanze chimiche che causano il movimento delle molecole). È infatti già stato dimostrato che quando molte di queste particelle sono attive insieme possono seguire comportamenti collettivi, come sciamatura ed autorganizzazione. I ricercatori studieranno come sfruttare questi comportamenti e implementarli nei loro microrobot, per permettergli di muoversi e comportarsi come cellule.

 

Studio della migrazione delle cellule immunitarie e tumorali

“Nella microrobotica ispirata alla biotecnologia, per prima cosa guardiamo al naturale per sviluppare l’artificiale. Tuttavia, questo ci consente anche di fare il contrario: potremmo quindi guardare all’artificiale come modello per capire meglio la natura”, afferma Palagi. Lo sviluppo di microrobot in grado di muoversi attraverso i tessuti non solo consentirebbe al team del progetto di testare e mettere a punto il loro funzionamento, ma permetterebbe anche ad altri scienziati di utilizzare questi microrobot come piattaforma per studiare la migrazione delle cellule immunitarie e cancerose all’interno del corpo. “Ad esempio, le cellule tumorali a volte si spostano nei tessuti per mezzo dello stesso cosiddetto movimento ameboide utilizzato dalle cellule immunitarie. Aiuterebbe i ricercatori a testare la loro ipotesi su come le cellule tumorali si muovono nei tessuti”, afferma Palagi.