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Microrobotica medica: il futuro della chirurgia

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La microrobotica medica fa grandi passi in avanti. Alcuni scienziati stanno portando questo concetto all’estremo, con l’obiettivo finale di portare la tecnologia a una frontiera completamente nuova: l’interno dei nostri corpi.

Mentre pacemaker, stent arteriosi e altro sono all’ordine del giorno, i ricercatori sognano di creare dispositivi così piccoli da poter nuotare nei nostri flussi sanguigni, aprendo nuove possibilità di guarigione e diagnosi.

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Microrobotica medica, nuove possibilità di cure e diagnosi

Tali robot sarebbero di dimensioni inferiori a un millimetro e spesso anche più piccoli. Il campo della nanorobotica, ad esempio, presenta creazioni dell’ordine dei miliardesimi di metro.

Quelli di una certa età potrebbero ricordare il film Fantastic Voyage del 1966, che presentava un equipaggio di sottomarini ridotto a dimensioni microscopiche per entrare nel corpo di uno scienziato. L’uomo, che possiede preziose informazioni sul processo di miniaturizzazione di esseri umani e oggetti, fugge negli Stati Uniti dove viene colpito da un colpo di arma da fuoco in un tentativo di omicidio.

Nel disperato tentativo di salvargli la vita, una squadra di scienziati viene collocata in un sottomarino, che viene rimpicciolito e inserito nel suo corpo. Hanno solo un’ora per riparare un coagulo di sangue prima di tornare alle loro dimensioni reali, mentre la missione è ulteriormente complicata dalla presenza di un sabotatore.

Una versione fantascientifica illustra l’idea di base della microrobotica

Mentre è improbabile che il campo della microrobotica medica includa persone minuscole, le versioni fantascientifiche del concetto fanno un buon lavoro nell’illustrare l’idea di base.

Piccoli robot, lunghi solo micro o nanometri, potrebbero inserirsi all’interno del nostro corpo, svolgendo compiti medici con precisione, nuotare attraverso i vasi sanguigni per eliminare ostruzioni o fornire farmaci antitumorali direttamente nella zona. Invece di un’operazione, le future visite ospedaliere potrebbero consistere in una pillola e un periodo di osservazione.

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Il dottore è nel flusso sanguigno

Il campo della nanorobotica fa risalire la sua eredità a una conferenza del 1959 del fisico Richard Feynman, in cui immaginava un mondo dove la tecnologia avanzata consente agli scienziati di manipolare fisicamente gli atomi, i mattoni della materia. Intitolato “C’è molto spazio in fondo: un invito a entrare in un nuovo campo della fisica”, il discorso ha affrontato la possibilità che gli esseri umani possano costruire macchine così piccole da non poter nemmeno essere viste.

Sebbene ci siano voluti decenni prima che la tecnologia si aggiornasse, gli scienziati alla fine hanno iniziato a esplorare la microrobotica applicata alla medicina. Oggi i ricercatori hanno creato robot misurati sulla scala dei nanometri, più piccoli di un globulo rosso.

Uno dei primi articoli nel campo è stato pubblicato nel 1998 e ha proposto la progettazione di un globulo rosso artificiale fatto di diamante che, secondo lui, potrebbe fornire 236 volte più ossigeno ai tessuti rispetto ai globuli rossi umani.

Negli anni successivi, gli scienziati hanno iniziato ad affrontare le sfide uniche che i microbot medici portano, da come alimentarli a impedire al corpo di distruggerli. Anche se non siamo ancora al punto in cui i piccoli robot sono coinvolti negli studi clinici, il campo potrebbe essere vicino.

I ricercatori oggi affermano di essere in grado di iniettare, alimentare e controllare minuscoli robot in condizioni simulate. Questi non assomigliano alle macchine a cui siamo abituati, infatti molti sono costituiti quasi interamente da minuscole perline di metallo. Ma il numero di applicazioni potrebbe essere molto vasto.

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Una nuova frontiera per i robot

Creare un robot che si muoverà all’interno del corpo umano significa affrontare sfide che nessun normale robotista deve affrontare. Per cominciare, nella microrobotica medica le batterie e i motori tradizionali non possono essere così piccoli, quindi gli ingegneri dovranno escogitare metodi completamente nuovi per alimentare e spostare i robot.

E su scale così piccole nel corpo, la gravità cessa di avere importanza; invece, i microrobot devono combattere contro il torrente impetuoso del flusso sanguigno e affrontare la spinta e l’attrazione delle forze elettrostatiche. Per alcuni dei robot più piccoli, il movimento browniano o i movimenti casuali causati dall’energia termica sono sufficienti per ostacolare i loro movimenti.

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Molti ricercatori hanno cercato ispirazione nel mondo naturale. Alcuni microrobot utilizzano design basati su flagelli batterici per muoversi. Altri hanno cooptato completamente la biologia semplicemente integrando le loro macchine con cellule viventi per creare ibridi simili a cyborg che si muovono all’interno del corpo.

Un articolo, ad esempio, descrive l’uso di batteri come minuscoli motori attaccandoli a perline di plastica. Diversi modelli di microrobot attingono agli enzimi o al glucosio e all’ossigeno presenti all’interno del corpo per l’energia. Il vantaggio è che nuoterebbero essenzialmente nel loro stesso carburante.

Un altro modo per spostare un robot all’interno del corpo è utilizzare forze esterne. Alcuni scienziati stanno esplorando come utilizzare i campi magnetici per spostare le perline di metallo all’interno del corpo.

Un gruppo riferisce di poter controllare interi sciami di minuscole sfere in varie configurazioni in questo modo, potenzialmente manovrandoli attraverso l’impianto idraulico interno del corpo per raggiungere un obiettivo. Un altro gruppo ha integrato minuscole perline metalliche con cellule staminali, che sono state poi in grado di muovere attraverso stretti canali, che sostituivano i vasi sanguigni.

Microrobotica: ci stiamo avvicinando ai microbot medici

Mentre i ricercatori si stanno muovendo verso l’utilizzo effettivo dei loro microrobot all’interno degli esseri umani, hanno testato una serie di potenziali applicazioni. Piccoli robot medici potrebbero fornire farmaci in luoghi specifici, aumentando così la concentrazione effettiva e riducendo gli effetti collaterali altrove.

La microrobotica medica potrebbe in futuro anche portare agenti antitumorali, come il materiale radioattivo, direttamente sui tumori, uccidendo selettivamente le cellule malate. Potrebbero anche raschiare placche pericolose dalle pareti arteriose per prevenire attacchi di cuore o fungere da impalcature per aiutare i nervi o i vasi sanguigni a rigenerarsi.

In un altro passo avanti, un team di ricercatori cinesi ha riferito di essere stato in grado di creare microrobot in grado di attraversare la barriera emato-encefalica. Hanno preso un nanogel magnetico che trasportava un farmaco e lo hanno rivestito con la membrana di un batterio Escherichia coli.

Quando hanno iniettato il nanogel nascosto nei topi, le cellule del loro sistema immunitario chiamate neutrofili hanno inghiottito i nanobot, scambiandoli per batteri invasori.

Quindi, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare i campi magnetici per spostare i neutrofili contenenti nanobot all’interno dei flussi sanguigni dei topi, attraversando infine i loro cervelli. La tecnica potrebbe essere utilizzata un giorno per curare i tumori cerebrali, suggerisce il team.

Microrobotica medica del futuro

Il robot medico più piccolo fino ad oggi proviene da ricercatori dell’Università del Texas a San Antonio. Misurando solo 120 nanometri di diametro, le particelle nanocomposte possono essere controllate da campi magnetici e i ricercatori affermano che sono abbastanza piccole da poter essere utilizzate per spingere le singole cellule in giro. Questo caso d’uso deve ancora essere realizzato, anche se potrebbe presto arrivare.

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