Южнокорейский Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST) в сотрудничестве с коллегами из Швейцарии разработали технологию, которая способна обеспечить серийный выпуск микророботов, обладающих свойствами безвредно растворяться в человеческом организме. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Микророботы, предназначенные для минимально инвазивной целенаправленной прецизионной терапии, могут быть изготовлены различными способами. Среди них наиболее часто используется технология ультратонкой 3D-печати, называемая методом двухфотонной полимеризации, которая запускает полимеризацию путем пересечения двух лазеров в синтетической смоле. Эта технология позволяет создавать структуры с точностью до нанометра.
Однако она имеет важный недостаток, заключающийся в том, что изготовление одного микроробота требует много времени, поскольку воксели и пиксели, реализованные с помощью 3D-печати, должны быть отверждены последовательно. Кроме того, магнитные наночастицы, содержащиеся в роботе, могут блокировать путь света в процессе двухфотонной полимеризации, поскольку это нередко вызывается неоднородностью материала при использовании магнитных наночастиц с высокой концентрацией.
Чтобы преодолеть ограничения существующего метода изготовления микророботов, исследовательская группа профессора DGIST Хонсу Чоя, при содействии специалистов Сеульской больницы Святой Марии, Католического университета Южной Кореи и лаборатории профессора Брэдли Дж. Нельсона Высшей технической школы Цюриха в Швейцарии разработала новый техпроцесс, причем обеспечивающий высокую скорость производства – до 100 роботов в минуту. Это более чем в 10 000 раз быстрее, чем при использовании двухфотонной полимеризации для производства микророботов.
Новая технология основана на пропускании смеси магнитных наночастиц и метакрилата желатина, который является биоразлагаемым и может быть легко преобразован в микрофлюидный чип. Затем микроробот, полученный таким способом, культивируют со стволовыми клетками, собранными из носовых раковин человека, чтобы вызвать прилипание стволовых клеток к поверхности микроробота.
В итоге получается изготовить нужный конечный «продукт» – микроробота, несущего магнитные наночастицы внутри и стволовые клетки, прикрепленные к внешней поверхности. Робот способен двигаться в заданном ему направлении за счет того, что магнитные наночастицы внутри него реагируют на внешнее магнитное поле.
Столь же селективная доставка клеток в случае существующей терапии стволовыми клетками традиционными способами является трудной задачей. Однако микроробот, несущий стволовую клетку, может перемещаться в желаемое место под контролем системой управления электромагнитным полем, причем в режиме реального времени.
Исследовательская группа провела эксперимент, чтобы проверить, может ли микроробот, несущий стволовые клетки, достичь целевой точки, пройдя через микроканал в форме лабиринта. Успешное решение этой задачи подтвердило, что робот может точно двигаться в заданное ему место.
Кроме того, способность микроробота к биоразложению по завершению своей функции оценивали путем его инкубации с разрушающим ферментом. Через 6 часов инкубации микроробот полностью распался, а магнитные наночастицы, пребывавшие внутри робота, были собраны магнитным полем, генерируемым внешней системой управления, и направлены на вывод из организма.
Стволовые клетки, доставленные микророботом, были пролиферированы («врощены» в ткань организма) в том месте, где он произвел управляемое саморазрушение. Впоследствии эти стволовые клетки индуцировали для дифференцировки в нервные клетки, чтобы подтвердить их нормальносе состояние для такой процедуры. Тесты показали, что своловые клетки дифференцировались в нервные клетки примерно через 21 день.
Этот эксперимент подтвердил, что доставка стволовых клеток в желаемое место с помощью микроробота – технически возможна, и что доставленные стволовые клетки могут служить в качестве целевого прецизионного терапевтического агента, демонстрируя успешную пролиферацию и дифференцировку.
Кроме того, исследовательская группа подтвердила, что стволовые клетки, доставленные микророботом, сохраняют нормальные электрические и физиологические характеристики. Конечная цель этого исследования – убедиться, что стволовые клетки, доставляемые роботом, нормально выполняют свою роль моста в состоянии, когда связь между существующими нервными клетками разорвана.
Для подтверждения этого использовали нейроны гиппокампа, выделенные из эмбриона крысы, которые стабильно излучают электрические сигналы. Соответствующую клетку прикрепляли к поверхности микроробота, культивировали на электродном чипе микроразмера и через 28 дней наблюдали электрические сигналы от нейронов гиппокампа. Благодаря этому было проверено, что микроробот должным образом выполняет свою роль платформы доставки клеток.