Urządzenia do połykania są od jakiegoś czasu wykorzystywane do badania i leczenia trudno dostępnych tkanek w ciele. W postaci kapsuł połykanych jak tabletki, mogą przemieszczać się przez przewód pokarmowy, wykonując zdjęcia lub dostarczając leki.
W swojej najprostszej formie urządzenia te są biernie transportowane przez jelita. Istnieje jednak wiele zastosowań, w których pożądane jest, aby urządzenie przyczepiało się do tkanek lub innych elastycznych materiałów. Historia rozwiązań inspirowanych biologicznie dostarcza szerokiej gamy przykładów, takich jak rzepy inspirowane łopianem czy kleje medyczne inspirowane ślimakami. Jednak stworzenie mechanizmów przyczepnych działających na żądanie, które można włączyć do urządzeń o wielkości milimetrowej przeznaczonych do diagnostyki i monitorowania biomedycznego, pozostaje wyzwaniem.
Nowa interdyscyplinarna inicjatywa prowadzona przez Roberta Wooda, Harry’ego Lewisa i Marlyn McGrath, profesora inżynierii i nauk stosowanych w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), oraz Jamesa Weavera z Harvard’s Wyss Institute, czerpie inspirację z nieoczekiwanego źródła – świata pasożytów.
„Pasożytnicze gatunki mają raczej niepochlebną reputację w społeczeństwie ze względu na często przerażające formy ich ciał i obrzydliwe cykle życiowe, które wydają się wyjęte z filmów science fiction,” powiedział Weaver. „Pomimo tego warto zauważyć, że te gatunki są wyjątkowo dobrze przystosowane do zakotwiczania się w szerokim zakresie różnych typów tkanek gospodarzy, korzystając z niezwykle zróżnicowanego zestawu narządów przyczepnych specyficznych dla gatunku i tkanki. Te cechy sprawiają, że są one idealnymi modelami do opracowywania syntetycznych mechanizmów kotwiczenia tkanek specyficznych dla aplikacji biomedycznych.”
„Imitowanie zarówno morfologii, jak i funkcjonalności tych złożonych struktur biologicznych to niezwykle trudne zadanie, które wymaga wiedzy z wielu dziedzin, takich jak robotyka, mikroprodukcja, projektowanie urządzeń medycznych i zoologia bezkręgowców,” dodał Wood.
Aby odtworzyć okrągły organ przyczepny przypominający haczyki występujący u kilku gatunków tasiemców jelitowych jako wstępny dowód koncepcji, naukowcy zastosowali metodę wielomateriałowej produkcji warstwa po warstwie, inspirowaną przemysłem obwodów drukowanych. Jednym z kluczowych elementów projektu mechanizmu jest jego promieniowa symetria, która umożliwia uzyskanie biologicznie dokładnego zakresu ruchu przy użyciu prostych płaskich komponentów.
„Zastosowanie stosunkowo prostych mechanizmów łącznikowych pozwala na wykorzystanie procesów produkcji laminatów, co oferuje kilka przewag nad konwencjonalnymi podejściami produkcyjnymi,” powiedział Gabriel Maquignaz, doktorant wizytujący ze Swiss Federal Technology Institute of Lausanne i główny autor publikacji.
„Na przykład urządzenia mogą być produkowane na płasko, a następnie szybko i łatwo składane do finalnych trójwymiarowych geometrii w procesie przypominającym w dużej mierze automatyczną technikę składania książek pop-up,” dodał Mike Karpelson, starszy inżynier elektryk w SEAS i ekspert w tej technologii produkcji.
Ponadto, dzięki szybkiemu czasowi realizacji i niewielkiemu rozmiarowi wytwarzanych urządzeń, to podejście zapewnia metodę prototypowania o niskim poziomie odpadów w fazach badań i rozwoju urządzenia.
Finalny projekt urządzenia zawiera sztywne stalowe elementy konstrukcyjne przyklejone do polimerowych zawiasów. Całe urządzenie mierzy mniej niż 5 milimetrów średnicy po rozwinięciu i waży jedynie 44 mikrogramy. Po zetknięciu się z powierzchnią tkanki mechanizm spustowy powoduje obrót haczyków kotwiczących, które wnikają w sąsiednią miękką tkankę. Ponieważ każdy haczyk podąża po zakrzywionej trajektorii, przekłuwa skórę tylko wzdłuż swojej drogi – podobnie jak haczyki tasiemca – powodując minimalne uszkodzenia tkanki. Dzięki niewielkiemu rozmiarowi urządzenia i zintegrowanej sprężynie elastomerowej haczyki mogą być rozwijane w czasie krótszym niż 1 milisekunda.
Autorzy dodają, że dzięki stosunkowo prostej i adaptowalnej metodzie produkcji urządzenia mogą zostać dodatkowo zmniejszone w przyszłych iteracjach.
„Jesteśmy naprawdę podekscytowani możliwością zastosowania wniosków z tych badań do dalszego poszerzania przestrzeni projektowej, w tym o inne plany ciała pasożytów, a także inne tkanki biologiczne i zastosowania terapeutyczne,” powiedziała Rachel Zoll, doktorantka w SEAS specjalizująca się w projektowaniu urządzeń biomedycznych i współautorka artykułu.
„Jednym z najbardziej intrygujących aspektów tego projektu badawczego jest dostarczenie bardzo potrzebnego eksperymentalnego środowiska do badania, jak anatomia narządów przyczepnych pasożytów wpływa na ludzką patologię w miejscu zakotwiczenia,” powiedział Armand Kuris, profesor parazytologii z UC Santa Barbara, który nie brał udziału w badaniu. „To w dużej mierze niezbadany aspekt medycznej parazytologii, i jestem ciekawy, dokąd te badania prowadzą.”
Poza zastosowaniami biomedycznymi, które były głównym tematem artykułu, autorzy widzą również możliwość wykorzystania tej technologii w zastosowaniach niemedycznych, takich jak odwracalnie przyczepne tagi do monitorowania dzikich zwierząt czy platformy sensoryczne dla materiałów tekstylnych.
Badania opublikowano w PNAS Nexus.
Na podstawie: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
