Soft robotics

Le nuove frontiere della microrobotica aprono la strada a procedure mediche rivoluzionarie

Ricerca scientifica e tecnologia si ispirano sempre più alla Natura. Gli straordinari sviluppi della robotica bioispirata e della soft robotics tracciano il futuro della diagnostica medica e della chirurgia non invasiva

Pubblicato il 06 Ott 2021

L’obiettivo che si era posto un team di ingegneri della University of California di San Diego era davvero ambizioso: creare un catetere orientabile che desse ai neurochirurghi la capacità di muoversi in qualsiasi direzione all’interno delle arterie e nei vasi sanguigni del cervello. Già, ma come fare?

Per “navigare” nel cervello, la tecnologia imita la Natura

La soluzione è arrivata dalla Natura, in particolare dalle zampe degli insetti e dai flagelli, strutture simili a code che consentono di muoversi a organismi microscopici come i batteri. È, infatti, a loro che si sono ispirati gli ingegneri della University of California.

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L’idea di creare un catetere morbido e orientabile trova origine nel fatto che, negli Stati Uniti, circa una persona su 50 ha un aneurisma intracranico non rotto, una lesione a parete sottile simile a una vescica su un’arteria cerebrale che è soggetta a rottura. Questi tipi di lesioni colpiscono oltre 160 milioni di persone in tutto il mondo, la metà delle quali ha meno di 50 anni. Dei pazienti che soffrono di questo problema, più della metà muore e la metà dei sopravvissuti ha disabilità a lungo termine. Inoltre, gli studi dimostrano che un quarto dei casi non può essere operato a causa della difficoltà di raggiungere gli aneurismi.

Il nuovo catetere è stato testato con successo sui maiali e i risultati raggiunti finora hanno dimostrato che può migliorare significativamente la capacità di trattare gli aneurismi cerebrali e molte altre condizioni neurologiche con possibili applicazioni anche nella neurochirurgia umana.

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Robotica bioispirata alle zampe e ai flagelli degli insetti per “navigare” nel cervello

La soft robotics per arrivare nei recessi più profondi del cervello

Lo stato dell’arte nella chirurgia dell’aneurisma cerebrale prevede che i neurochirurghi inseriscano fili guida in un’arteria vicino all’inguine per portare i cateteri fino al cervello attraverso l’aorta. Per navigare nelle arterie e nelle giunzioni del cervello sono usati fili guida a punta curva, che devono essere rimossi prima che la punta del catetere possa essere usata per fornire il trattamento. Tuttavia, una volta recuperato il filo guida, il catetere torna alla sua forma originaria (spesso è diritto) con perdita di accesso alla patologia. Di conseguenza, è estremamente difficile posizionarlo e mantenerlo nella posizione corretta per rilasciare le bobine di platino usate per bloccare il flusso sanguigno all’aneurisma e prevenire un’emorragia cerebrale.

Attualmente, i cateteri orientabili non sono disponibili per la neurochirurgia a causa delle piccole dimensioni dei vasi sanguigni del cervello. In particolare, i dispositivi devono avere un diametro inferiore a un millimetro, che equivale all’incirca a quello di alcuni capelli umani, e una lunghezza di circa 160 cm. Gli attuali metodi di fabbricazione industriale hanno difficoltà a raggiungere questa scala. Ciò è dovuto anche al fatto che gravità, elettrostatica e forza di van der Waals si equivalgono a queste dimensioni.


This bioinspired steerable catheter for brain surgery is the first of its kind
I ricercatori della University of California di San Diego spiegano come – ispirandosi alla Natura (zampe e flagelli degli insetti) – sono riusciti a creare uno speciale catetere con cui i neurochirurghi potranno muoversi in qualsiasi direzione nelle arterie e nei vasi sanguigni del cervello

Per risolvere il problema, i ricercatori si sono ispirati sia alla Natura sia alla soft robotics. In particolare, i riferimenti sono stati i flagelli, le zampe degli insetti e l’accoppiamento dei coleotteri, in cui sono coinvolti l’idraulica su microscala e la grande deformazione dell’aspetto. Ciò ha portato allo sviluppo di un microcatetere soft robotics orientabile ad azionamento idraulico. Tale catetere consente ai chirurghi di erogare terapie, in questo caso bobine di platino che bloccano il flusso sanguigno a un aneurisma, nei recessi più profondi del cervello.

Il catetere orientabile della University of California San Diego (fonte: UC San Diego)

Alta ingegneria microscopica: verso la sperimentazione umana

Per raggiungere il loro obiettivo, gli ingegneri della University of California San Diego hanno dovuto inventare un modo completamente nuovo di fondere il silicone in tre dimensioni che funzionasse su questa scala microscopica, depositando strati concentrici di silicone uno sopra l’altro con rigidità diverse. Il risultato è un catetere in gomma siliconica con quattro fori all’interno delle pareti, ciascuno circa la metà del diametro di un capello umano. Il team ha anche condotto simulazioni al computer per determinare la configurazione del catetere, quanti fori avrebbe dovuto avere, dove questi avrebbero dovuto essere collocati e la pressione idraulica necessaria per azionarlo. Per guidare il catetere, il chirurgo comprime un controller portatile per far passare un fluido salino nella punta che viene utilizzato per proteggere il paziente. Se il dispositivo dovesse rompersi, la soluzione salina entrerebbe innocuamente nel flusso sanguigno.

I prossimi passi prevedono un numero statisticamente significativo di sperimentazioni sugli animali e il primo nella sperimentazione umana.

CELLOIDS: microrobot che si muovono nel corpo umano 

Seppure la soft robotics presenti requisiti interessanti per le applicazioni nella chirurgia minimamente invasiva (MIS), molte sfide interdisciplinari rimangono tuttora irrisolte.

Per superare questi limiti, il progetto CELLOIDS, finanziato dallo European Research Council (ERC) con fondi ERC Starting grants e coordinato da Stefano Palagi, ricercatore dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, creerà dispositivi robotici di dimensioni microscopiche capaci di muoversi in maniera autonoma all’interno del corpo umano per eseguire procedure mediche non invasive.
Prendendo ispirazione dalle cellule biologiche che si muovono in modo naturale attraverso i tessuti corporei, come per esempio i globuli bianchi, i microrobot (dalle dimensioni minori di un millimetro) saranno in grado di imitare il tipico movimento cellulare (ameboide), di modificare continuamente la loro forma e di infilarsi nei minuscoli interstizi presenti nei tessuti biologici.

I microrobot, che avranno un corpo liquido contenente uno sciame di particelle auto-propellenti, percepiranno stimoli ambientali e segnali di controllo esterni e si orienteranno attraverso mezzi complessi simili ai tessuti biologici.

“Muoversi e orientarsi in autonomia dentro il corpo umano – precisa il ricercatore che coordina il progetto – apre la strada a procedure mediche rivoluzionarie, come il monitoraggio continuativo dall’interno del corpo per scopi diagnostici o interventi non invasivi”.

Iniziato ufficialmente il primo febbraio 2021, CELLOIDS avrà una durata di 5 anni e prevede un investimento pari a 1,5 milioni di euro.

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