04/09/2024
Door Ad Spijkers
Onderzoekers in Hongkong ontwikkelen een baanbrekend platform voor de productie van sperma-achtige medische microrobots.
Een onderzoeksteam aan de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) heeft een innovatief magnetisch actuatieplatform ontwikkeld dat de vorming van sperma-achtige 'microrobots' in één stap mogelijk maakt. Het resultaat maakt een goede beweeglijkheid en efficiënte prestaties bij de nauwkeurige toediening van medicijnen mogelijk.
Het team heeft de beperkingen van traditionele microfluïdische apparaten bij de verwerking van geavanceerde 3D-structuren aangepakt. Het onderzoeksteam heeft de productieprocedure van de microrobots aanzienlijk gestroomlijnd, wat de weg vrijmaakt voor veelbelovende toepassingen van deze technologie in het biomedische veld.
Microswimmers
Sperma-achtige 'microrobots' (ook bekend als microswimmers) zijn ontworpen om door complexe omgevingen te navigeren voor gerichte toediening van medicijnen en minimaal invasieve chirurgie in het lichaam. Er is aangetoond dat s microswimmers een hogere zwemefficiëntie bieden in vloeibare omgevingen in vergelijking met conventionele microfluïdica. Er blijven echter uitdagingen bestaan bij de massaproductie van deze microrobots en het garanderen van hun efficiënte voortstuwing en gecontroleerde medicijnafgifte.
Geïnspireerd door het bewegingsmechanisme van het sperma van roggen, een soort zeevis, heeft het onderzoeksteam een éénstapsformatie-strategie voorgesteld voor polymorfe sperma-achtige microzwemmers. De basis is een Vortex Turbulence-Assisted Microfluidics (VTAM)-platform dat wordt aangestuurd door een extern magnetisch veld. De microrobots zijn voorzien van een flexibele staart voor regelbare voortstuwing en een kern-mantelkop voor effectieve medicijnbelading. Deze nieuw ontworpen sperma-achtige microzwemmers realiseren een efficiënte voortstuwing in vloeistofomgevingen met verschillende viscositeiten.
Werking
Het VTAM-platform combineert een traditionele kruisvormige microfluïdische chip met een vortexcontainer die wordt gevormd door een roterende magnetische roerder. De microfluïdische chip genereert monodisperse magnetische alginaatdruppels, die via capillairen worden overgebracht naar een calciumchloride-oplossingsvortexcontainer. De druppels barsten open onder invloed van de wervelstroom, waardoor de magnetische alginaatoplossing binnenin wordt blootgelegd. De oplossing wordt langs de richting van de wervelstroom getrokken, waardoor een asymmetrische sperma-achtige structuur ontstaat.
Nadat de staart is getrokken, stollen de druppels binnen milliseconden door een crosslinkingreactie met calciumionen in de calciumchlorideoplossing. De microswimmers die via deze strategie zijn bereid, hebben biologisch afbreekbare kern-schilkoppen en flexibele staarten, waarvan de morfologie kan worden aangepast via de wervelsnelheid en de oplossingsconcentratie.
Om de medicijnafgifte van de nieuwe microswimmers verder te verbeteren, heeft het onderzoeksteam hun oppervlak bekleed met een pH-gevoelig membraan. Hierdoor is een langzame en gecontroleerde medicijnafgifte in verschillende pH-omgevingen mogelijk. Deze coating toonde goede prestaties onder verschillende omgevingsomstandigheden, met betere medicijnafgifte-effecten dan die zonder het membraan.
Het team introduceerde de microswimmers ook in een bio-nabootsende omgeving en gaf medicijnen af op specifieke locaties, wat het potentieel van deze microswimmers in biomedische toepassingen aantoonde.
Vooruitzichten
Het VTAM-platform biedt een handige en snelle strategie voor het produceren van complexe 3D-polymorfe structuren die traditionele laminaire apparaten niet kunnen bereiken. De onderzoekers streven naar praktische toepassing en willen het proces verder optimaliseren om de consistentie en prestatiestabiliteit van de microswimmers te garanderen. Ze willen nu in vivo testen uit te voeren om de prestaties van deze microrobots in klinische omgevingen te verifiëren.
Het onderzoek toont niet alleen het potentieel van bionisch ontwerp in de biomedische techniek. Het biedt ook een nieuwe richting voor toekomstige systemen voor medicijnafgifte. Met voortdurende technologische vooruitgang wordt aangenomen dat de nieuwe sperma-achtige microrobots in de nabije toekomst een grotere bijdrage zullen leveren aan de menselijke gezondheid.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: HKUST