I dispositivi medici prendono consigli di progettazione dal regno animale

Il regno animale ha beneficiato di milioni di anni di evoluzione biologica per adattare processi e caratteristiche per soddisfare esigenze specifiche. Utilizzando un approccio noto come bioispirazione, scienziati e ingegneri stanno sfruttando le conoscenze della biologia per risolvere le sfide tecnologiche odierne e ottimizzare la progettazione di nuovi materiali, dispositivi e strutture.

In campo medico, ad esempio, i ricercatori hanno progettato un sistema di imaging chirurgico basato sugli straordinari occhi delle canocchie, creato una coperta spaziale che consente agli utenti di controllare la propria temperatura imitando le proprietà adattative della pelle dei calamari e fabbricato un sistema di pressione intraoculare sensore basato su nanostrutture con proprietà ottiche scoperte per la prima volta nelle ali di una farfalla.

E questa settimana ha visto la pubblicazione di due nuovi studi di ricerca che sfruttano le conoscenze della biologia a beneficio della salute umana.

Innanzitutto il pangolino, l'unico mammifero completamente ricoperto di scaglie dure. Queste scaglie si collegano alla pelle sottostante, piuttosto che tra loro, e si sovrappongono a forma di pigna, consentendo al pangolino di raggomitolarsi in una palla quando minacciato. E sono proprio queste scale che hanno ispirato Metin Sitti dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti e i suoi collaboratori a progettare un robot medico morbido in miniatura.

I robot morbidi magnetici senza vincoli offrono il potenziale per eseguire procedure mediche minimamente invasive all’interno del corpo. Un giorno, questi robot potrebbero essere guidati da campi magnetici verso regioni difficili da raggiungere dove potranno poi somministrare farmaci o creare calore. Il riscaldamento localizzato può essere utilizzato per arrestare il sanguinamento, tagliare i tessuti o addirittura asportare i tumori. La generazione remota di calore, tuttavia, richiede l’uso di materiali metallici rigidi, che possono compromettere la conformità e la sicurezza dei robot morbidi.

“Per affrontare questo compromesso intrinseco tra un efficace riscaldamento a distanza su lunghe distanze e la compliance, abbiamo osservato come i pangolini in natura potrebbero ancora raggiungere movimenti flessibili e senza ostacoli nonostante abbiano scaglie di cheratina che sono ordini di grandezza più duri e rigidi degli strati di tessuto sottostanti, semplicemente organizzando le scaglie di cheratina in una struttura sovrapposta”, scrivono i ricercatori su Nature Communications.

Con questo in mente, Sitti e colleghi hanno progettato e costruito un robot di 20 x 10 x 0,2 mm comprendente uno strato di polimero morbido e uno strato ispirato al pangolino di elementi metallici sovrapposti. Esponendo il robot a un campo magnetico a bassa frequenza, i ricercatori sono riusciti a farlo rotolare e muoversi. Se esposto a un campo magnetico ad alta frequenza, il robot ha fornito riscaldamento su richiesta (di oltre 70°C) a grandi distanze (più di 5 cm) in meno di 30 s.

Negli esperimenti di prova su fantasmi di tessuto, il team ha dimostrato che un campo magnetico rotante di 65 mT potrebbe attivare e spostare un robot senza vincoli e che le bilance riscaldanti potrebbero rilasciare selettivamente il carico fissato al robot con cera d'api.

Per valutare ulteriormente il potenziale clinico del robot, i ricercatori hanno simulato il sanguinamento all'interno dello stomaco di un maiale ex vivo e hanno dimostrato che il robot poteva raggiungere il sito sanguinante e utilizzare il calore per fermare l'emorragia. Hanno anche posizionato gli sferoidi tumorali a diretto contatto con le scaglie riscaldanti, che hanno distrutto gli sferoidi dopo soli 5 minuti di calore a 60 °C.

“Rimangono ancora molte domande e sfide tecniche che, sebbene superabili, richiedono più tempo e impegno. Questi includono l’utilità clinica e la praticità dell’implementazione di questi robot in scenari clinici, problemi di biocompatibilità, controllo e monitoraggio”, afferma il primo autore Ren Hao Soon. “Nel mio prossimo progetto, voglio continuare a spingere questi robot liberi più vicino al letto. Spero di lavorare a stretto contatto con i medici per identificare una reale esigenza medica per la quale tali robot potrebbero essere utili”.

Il polpo dagli anelli blu è minuscolo, dai colori vivaci ed è uno degli animali marini più velenosi del mondo. Il suo morso perfora il guscio della preda e poi rilascia la tetrodotossina, una neurotossina paralizzante. “Il comportamento predatorio del polpo dagli anelli blu ci ha ispirato con una strategia per migliorare i farmaci topici”, scrive un gruppo di ricerca diretto all’Università di Sichuan e all’Università di Zhejiang in Cina.