3D

Oct 05, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5875 (2022) Citare questo articolo

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I microrobot hanno attirato l'attenzione degli scienziati grazie alle loro caratteristiche uniche che consentono di svolgere compiti in siti difficili da raggiungere nel corpo umano. I microrobot possono essere azionati e manovrati con precisione individualmente o in uno sciame per applicazioni di consegna merci, campionamento, chirurgia e imaging. Inoltre, i microrobot hanno trovato applicazioni nel settore ambientale (ad esempio nel trattamento delle acque). Inoltre, i recenti progressi delle stampanti tridimensionali (3D) hanno consentito la fabbricazione ad alta risoluzione di microrobot con tempi di consegna della progettazione-produzione più rapidi per utenti con competenze limitate di microproduzione. Qui vengono esaminate le ultime applicazioni finali dei microrobot stampati in 3D (che spaziano dalle applicazioni ambientali a quelle biomediche) insieme a una breve discussione sui metodi di attuazione realizzabili (ad esempio, a bordo e fuori bordo) e sulle tecnologie pratiche di stampa 3D per la fabbricazione di microrobot. Inoltre, in una prospettiva futura, abbiamo discusso i potenziali vantaggi dell’integrazione dei microrobot con materiali intelligenti e i possibili benefici derivanti dall’implementazione dell’intelligenza artificiale (AI), nonché dell’intelligenza fisica (PI). Inoltre, al fine di facilitare la traduzione dei microrobot dal banco al letto del paziente, vengono elaborate le sfide attuali che impediscono la traduzione clinica dei microrobot, inclusi ostacoli all'ingresso (ad esempio attacchi al sistema immunitario) e ingombranti procedure di test standard per garantire la biocompatibilità.

La scienza emergente delle macchine e dei robot fabbricati su scala micro e nanometrica (micro e nano robot) ha fatto enormi progressi nell'ultimo decennio1,2. Mentre i nuovi metodi di produzione additiva (ad esempio, le tecniche di stampa tridimensionale (3D)) stanno superando i limiti legati alle dimensioni, le funzionalità di questi robot sono progredite grazie all'uso di materiali intelligenti (cioè materiali progettati per rispondere a determinate condizioni come come pH specifico o livello proteico), tecniche di attuazione più accurate (ovvero metodi a bordo e fuori bordo) e integrazione con l'intelligenza fisica (PI) e con l'intelligenza artificiale (AI). Di conseguenza, questi robot stanno diventando uno dei congegni emergenti per le applicazioni biomediche, raggiungendo la loro posizione come il prossimo potenziale cambio di paradigma nella medicina mininvasiva3 (ad esempio, microchirurgia4 così come rilevamento, manipolazione, assemblaggio e isolamento di oggetti5,6), mirati consegne di cellule/farmaci7,8,9,10 e navigazione manovrabile in mezzi viscosi11 (ad esempio, fluidi biologici come il sangue) per scopi di imaging/scansione12,13,14,15,16,17.

Per definizione, le stampanti 3D producono oggetti strato per strato sulla base di una progettazione assistita da computer (CAD)18,19,20,21,22. La stampa 3D ha contribuito in modo significativo a diversi campi biomedici che vanno dalla microfluidica alle tecnologie di laboratorio/organo su chip23,24,25,26,27,28,29,30. Rispetto ai metodi convenzionali di fabbricazione dei microrobot (ad esempio, metodi di litografia31,32, tecniche di deposizione mediante elettrochimica33,34,35 o vapori fisici36,37, tecniche di assemblaggio38, tecnologia arrotolata39, placcatura chimica40 e metodo di ingegneria della deformazione41), le tecnologie di stampa 3D offrire un processo relativamente efficiente in termini di costi con rapidi intervalli di risposta tra le modifiche di progettazione. Inoltre, è possibile stampare in 3D un'ampia gamma di materiali, inclusi metalli42,43, polimeri (ad esempio plastica e idrogel)44,45,46,47,48,49, bioinchiostri (ovvero materiali biocompatibili con/senza celle incorporate)50 ,51,52 e compositi53,54,55. Pertanto, un’accessibilità relativamente elevata e un livello più elevato di riproducibilità rafforzano la posizione della stampa 3D come metodo emergente per la produzione di microrobot anche per utenti senza competenze di microproduzione eccellenti1,56,57.

In una prospettiva futura, l’intelligenza artificiale non solo può accelerare la progettazione di un microrobot ottimizzando i parametri di progettazione in modo più accurato di un esperto umano (ad esempio, determinando le dimensioni ottimali per ridurre al minimo l’attrito del nuoto in alcuni biofluidi), ma può anche svolgere un ruolo nella realizzazione del materiale. -selezione basata sulle proprietà chimiche del sito target1,58,59. Inoltre, l'intelligenza artificiale può essere utilizzata per prevedere la stampabilità di un progetto e ottimizzare i parametri di stampa 3D per ottenere la migliore stampa possibile (ad esempio, regolando l'intensità della luce (nei metodi indotti dalla luce) o la pressione/temperatura (nei metodi basati sull'estrusione)). . Dopo la produzione, l'intelligenza artificiale faciliterebbe il controllo dei microrobot in vitro/vivo regolando i parametri di attuazione per garantire che i microrobot raggiungano il sito target nonostante i cambiamenti imprevisti nell'ambiente (ad esempio, il cambiamento imprevisto della velocità del flusso sanguigno in un vaso). L'IP, d'altro canto, può consentire ai microrobot di agire in modo indipendente rilevando e adattandosi all'ambiente in cui operano (ad esempio, rilascio di farmaci a un determinato livello di pH)60. Tuttavia, nonostante tutti i progressi nella fabbricazione e nell’attuazione dei microrobot, il trasferimento di questi dispositivi medici dal banco al letto del paziente è ancora impegnativo. Mentre la produzione di massa economicamente vantaggiosa di dispositivi robotici su microscala è ancora una sfida da risolvere, i microrobot devono affrontare ostacoli dal loro ingresso nel corpo fino al sito bersaglio (ad esempio, essere attaccati e rimossi dal sistema immunitario del corpo)61 . Inoltre, gli attuali standard di test per garantire la sicurezza e la funzionalità dei microrobot richiedono procedure ingombranti e costose, ritardando la prima traduzione dei microrobot per applicazioni cliniche commercializzate (Fig. 1)62.