Applicazione di tecnologie avanzate micro e nano
nella progettazione di sistemi bio-robotici
Arch. MariaRita Canina
Laboratorio di Robotica, Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano
Via Bonardi, 9 - 20133
Milano Tel.: +39-2-2399.4847; Fax: +39-2-70638377
email marita.canina@polimi.it
Navicella
spaziale o nanorobot all'interno del corpo umano
?
Minuscoli “sommergibili” per l’esplorazione,
minirobot per le riparazioni. Fantascienza o realtà?
Un’esercito di microrobot che viaggerà nell’organismo a caccia di malattie; faranno diagnosi precoci, terapie farmacologiche mirate ed eseguiranno operazioni senza bisturi.
Piccoli,
piccolissimi, miniaturizzati, quasi invisibili, il termine che contraddistingue
l’ultima frontiera della tecnologia è “nano”. Saranno così i “medici” del
futuro: chirurghi, esperti in diagnostica. Sicuramente questa descrizione farà
tornare alla mente il film del 1966 Viaggio allucinante, tratto
dall’omonimo racconto di Asimov
(in cui un gruppo di medici “miniaturizzati”
viaggia in un mini sommergibile dentro un paziente per cercare di
salvargli la vita), la realtà è ancora incredibile.
Come nel “Viaggio allucinante”, si sta cercando di realizzare dei dispositivi, che si misurano in micron (milionesimo di metro), da introdurre nel corpo per curarlo "dall'interno".
Il futuro
della medicina è nel "sempre più piccolo" nelle micro e nano
macchine: strumenti di dimensioni infinitamente ridotte, capaci di perlustrare
all'interno dell'organismo, diagnosticare e curare contemporaneamente.
La nanomedicina: non fantascienza, ma già scienza sperimentale, anche se ancora lontana dall’applicabilità all’uomo.
Il termine
nanotecnologia, è stato cognato nel 1976 da Eric Drexler per definire una tecnologia
a livello molecolare, che potrà permettere all'uomo di controllare la posizione
di ogni atomo, come spiega il professor Marchesini, studioso di scienze
biologiche e di epistemologia, autore del libro "Post-Human". Viene
chiamata nanotecnologia perché agisce nell'ambito del nanometro, che equivale a
un miliardesimo di metro. Per avere un'idea delle dimensioni di cui si parla,
si deve pensare che un foglio di carta ha uno spessore di circa centomila
nanometri. Il primo scienziato a pensare alla possibilità di lavorare con
questa unità di misura fu Richard Feynman, premio Nobel per la fisica. Feynman
già nel 1959, in un discorso tenuto alla Caltech (California Institute of
Technology) fece l'ipotesi che un giorno sarebbe stato possibile archiviare
tutto il sapere umano in un dispositivo grande quanto un granello di polvere.
Attualmente le aree di ricerca più interessanti nel
campo dei dispositivi bio-robotici sono indirizzate all’applicazione di micro (MEMS) e
nanotecnologie (NEMS) in sistemi bio-robotici. Uno dei settori in cui c’è il
maggiore interesse per l’applicazione di queste tecnologie avanzate è il
controllo delle condizioni psico-fisiche delle persone. Il sistema MEMS
è un chip di dimensioni molto piccole, che contiene il sensore e parte dell’alimentazione.
L’utilizzo di questi microsensori ha portato ad una fase evoluta della ricerca
in cui i dispositivi diventano sempre più piccoli. La nanotecnologia è una
tecnologia ai suoi primi passi, e potenzialmente possiede le caratteristiche
per produrre profondi cambiamenti nel futuro.
La bio-robotica cresce e avanza in direzioni diverse
sviluppando robot sofisticati da una parte e meccanismi super utili dall’altra,
inseguendo sempre lo stesso fine che è quello di migliorare la qualità di vita
delle persone. Del resto, trent'anni fa
avremmo sgranato gli occhi di fronte all'idea della pillola telecamera
inventata dal chirurgo inglese Paul Swain con l'israeliano Gavriel Iddan capace
di fornire una fotografia dettagliata del tunnel intestinale. Perché, allora,
meravigliarsi dinanzi alle attuali dichiarazioni della nanotecnologia, che poi
è l'inevitabile risultato di una tendenza continua della robotica verso
miniaturizzazione?
Il settore di applicazione
Naturalmante
il settore della medicina non è l’unico in cui si possono applicare i benefici
di questa nuova tecnologia, ma è sicuramente quello in cui si spera di ottenere
i risultati migliori. Il settore della sanità deve essere visto come una
risorsa che può far da volano per la crescita economica e lo sviluppo di
settori innovativi. Alla domanda crescente di beni e di servizi per la salute,
è corrisposto uno sviluppo esponenziale della tecnologia avanzata nel
biomedicale.
Negli ultimi decenni l’interesse
dei ricercatori per la progettazione e lo studio di soluzioni specificamente
indirizzate all’uomo ha dato il via alla nascita di una serie di discipline
tutte caratterizzate dalla presenza del prefisso “bio”, che deriva dal greco e
significa vita. Da ciò possiamo
dedurre che ciascun campo di studio giunto ad una certa evoluzione ha sentito
la necessità di specializzarsi, o meglio concentrare i propri sforzi sullo
studio approfondito dell’uomo, di
affrontare la problematica se così si può dire del “bio”. L’uomo, infatti,
torna a proporsi al centro dell’attenzione progettuale con un interesse diverso
rispetto al passato. Il progresso scientifico
sta portando ad un allungamento della vita e l’azione progettuale è indirizzata
a migliorarne sempre le condizioni. La ricerca che è volta a superare i limiti
fisici dell’uomo trova una concretizzazione nello studio di oggetti che
migliorano le attività umane.
La rivoluzione nanotecnologica sta aprendo nuovi orizzonti in medicina. L’applicazione per la salute e la terapia medica è ampia e in espansione. Le nanotecnologie applicate in nanosistemi e microsistemi rappresentano la nuova frontiera, poiché potrebbero modificare la attuale condizione di vita. Infatti esse permettono di affrontare problematiche della salute, impensabili fino a pochi anni fa. E’ evidente che l’impiego di nanotecnologie per sensori intelligenti, sensori con trasmissione dati senza fili, sensori inseribili in forma biologica nel corpo umano rivoluziona il modo di concepire la cura delle malattie più critiche. Si può ridurre la pervasività di alcuni mezzi medici, di farmaci, poiché le nanotecnologie permettono di filtrare e selezionare le molecole ed i componenti, evitando di introdurre nella parte in cura elementi di danneggiamento. Tali metodologie erano considerate di frontiera fino a poco tempo fa, ma il loro impiego cresce giorno dopo giorno. La previsione di malattie degenerative del sistema nervoso come l’Alzheimer o il Parkinson, che colpiscono milioni di persone, attraverso l’utilizzo di microsistemi diagnostici può definire ed anticipare l’insorgere della malattia permettendo cure di prevenzione.
Obiettivi
Secondo Drexler,
che ha fondato presso MIT il "Nanotechnology Study Group", la
rivoluzione nanotecnologica è ormai alle porte e, probabilmente, riceverà la
propria legittimazione a metà del ventunesimo secolo". Obiettivo della
nanotecnologia? Realizzare "aggeggi" di dimensioni super
microscopiche per svolgere compiti di altissima precisione. Ma per fare che
cosa?
I possibili
impieghi delle nanotecnologie sono centomila, ma un capitolo che si preannuncia
davvero rivoluzionario è quello della "medicina molecolare": la
possibilità di operare in modo sofisticato e intimo sulle malattie. Chi è a
favore della nanotecnologia sostiene il bisturi, radioterapia, chemioterapia
finiranno in soffitta. Per non parlare della diagnostica: certo, già è in grado
di offrirci un ventaglio di test altamente sofisticati (e all'insegna del
massimo rispetto del paziente ), ma potrebbe conoscere un formidabile terremoto
con l'avvento dei nanomonitor. Dotati di sensori capaci di saggiare le
variazioni del ph, gli sbalzi della temperatura o gli invisibili buchi nei
tappeti di cellule che riveste internamente gli organi cavi, i nano monitor
potranno riconoscere con estrema precisione crescite tumorali, ulcerazioni, emboli,
microemorragie, incrostazioni sui tubi arteriosi.
"Senza
contare, specifica marchesini, che diagnosi e terapia diventerebbero tutt'uno,
poiché i nanorobot potranno contemporaneamente testare e intervenire laddove si
rendesse necessario. Una nanomacchina può infatti funzionare come "robot
ripara cellule": una volta individuato un danno cellulare con i suoi
sofisticati sensori, potrebbe ripararlo come esperto operaio.
Campo di
applicazione
L’adozione dei risultati della ricerche in nanotecnologie e microtecnologie per lo sviluppo e la creazione di nuovi prodotti è ciò che crea il maggiore interesse. Per sviluppare prodotti multiuso ad alto valore aggiunto, si intende realizzare prodotti di largo consumo, in particolare dedicati al benessere ed alla salute. Il forte interesse è definire specifiche per lo sviluppo di nuovi microsensori basati su materiali innovativi integrabili nei vestiti, nell’ambiente, nei dispositivi quotidiani. Tali sensori si propongono di rilevare grandezze e segnali di interesse in fisiopatologia, con un adeguato trattamento di gestione per l’analisi multimodale. Si intende sviluppare elettronica polimerica, progettare display organici e nanotubi al carbonio per pervenire a sistemi ad alta affidabilità adatti alla diagnostica preventiva delle malattie e al mantenimento del benessere, sia motorio sia cognitivo e cerebrale. Ciò costituirà nel prossimo futuro uno strumento non invasivo per la diagnosi, l’approfondimento conoscitivo, l’ottimizzazione terapeutica, e per altri utilizzi.
Data la rilevanza scientifica attribuita a questo nuovo tipo di tecnica di miniaturizzazione che parte da singoli atomi e molecole per creare oggetti più grandi e che è diventata sempre più essenziale negli ultimi anni, anche la ricerca accademica e industriale europea si sta adeguando.
Certamente il tema sta suscitando enorme
interesse. Sia i centri di ricerca che l’industria stanno iniziando a muoversi
in questa realtà ancora sconosciuta e misteriosa. Anche il ministero per
l’istruzione ha intravisto il futuro della tecnologia e ha proposto un bando
nel campo delle nuove tecnologie e dei materiali nano strutturati. Allo stesso
modo l’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, INFM, ha costituito al
suo interno due centri di ricerca in nanotecnologia a Pisa e Lecce.
In campo industriale la situazione nelle micro e nano tecnologie è stata di recente fotografata in un rapporto (Minatech) dell’AIRI, Associazione italiana per la ricerca industriale. Sono state individuate quattro grandi categorie di processi industriali in cui le tecnologie avanzate sono già di attualità: l’information tecnology, l’industria dell'automobile, il settore salute e biotecnologie e quello della strumentazione. Tra questi, il primo appare il più esposto a subire cambiamenti a breve termine aziende come ST Microelectronics, Pirelli cavi e sistemi, Marconi, Alcatel, Olivetti e altre sono impegnate in settori e prodotti basati su microtecnologie per l'informatica e la comunicazione. In particolare ST, Pirelli e Marconi hanno di recente istituito laboratori di ricerca orientati verso le micro e le nanotecnologie.
"Perché la
novità delle cosiddette nanotecnologie non sta solo nelle piccole
dimensioni", spiega Mauro Ferrari. In una scala così ridotta, gli
strumenti possono funzionare solo se realizzati con materiale e strutture
innovativi.
Avranno la forma
di insetti o di micro astronavi e, poco più grande di una molecola,
navigheranno lungo i vasi sanguigni, per raggiungere i distretti più nascosti
del nostro corpo. Saranno microrobot intelligenti: potranno rilasciare farmaci
(ma solo se necessario) fotografare tessuti con mini telecamere ad alta
risoluzione, riparare cellule. Oppure, armati di mini strumenti chirurgici,
effettuare operazioni, guidati dal computer che si trova all'esterno del corpo.
Obiettivi
L’obiettivo
principale è lo sviluppo di una ricerca che affianchi alla produzione di
microsensori e nanosensori intelligenti l’ideazione di dispositivi che possono
misurare e trasmettere dati sullo stato fisico, mentale, reattivo delle
persone; sulle condizioni fisiche e fisiologiche del corpo umano nello sport,
nella vita quotidiana; per la cura della salute e per il benessere.
I nanosensori, infatti, possono essere alloggiati, se uniti con i nanotrasmettitori, in qualunque parte del corpo umano o collegati con oggetti, anelli, orecchini, ecc. Le misurazioni richiedono sistemi di dimensioni micro, che non disturbino lo stato fisico delle persone, e insieme che siano inseribili in zone esterne ed interne al corpo. L’adozione di sistemi simili, seppure non ancora pervenuti a livello di applicazioni di nanotecnologie e microtecnologie, ha modificato l’approccio alla prevenzione, diagnosi e cure di molte malattie e l’approccio alla condizione di benessere, misurata e verificata sulla persona stessa. La ricerca è molto ambiziosa e richiede un lavoro a lungo termine.
Nel Progetto Integrato si prevede l’applicazione e lo sviluppo delle nanotecnologie per la progettazione di dispositivi esterni ed interni al corpo umano.
ESTERNI:
a) Dispositivi microtecnologici di protezione della salute delle persone in condizioni estreme (spazio, ambienti ostili, etc.)
I dispositivi
esterni possono essere utilizzati per la difesa di un individuo da eventuali
infortuni e gravi lesioni. Sistemi sensoriali cineto-dinamici di prossimità e
contatto, montati sui vestiti o apposite tute, possono far intervenire sistemi
di protezione qualora si registrino eventi di pericolosità che potrebbero
danneggiare i tessuti o mettere in grave pericolo l’integrità del corpo umano.
Air-bag, schiume autoespandibili, materiali polimorfici e a memoria di forma,
possono salvare la vita o limitare i danni di un individuo se pilotati da
microsensori. Microattuatori su tute di first aid possono intervenire anche con
comandi in remoto per iniettare farmaci o aiutare la persona in ambienti
ostili.
b)
Supporti nano e micro tecnologici a
locomozione
Le misure di forza, di accelerazione, di posizione e segnali elettromiografici, attraverso nanosensori trovano utilizzo nell’assistenza di anziani e disabili in cui è compromesso il sistema locomotorio. I sistemi sensoriali, interpretando la volontà del soggetto a muoversi, attivano attuatori posizionati su esoscheletri che aiutano la deambulazione e i movimenti quotidiani. Sensori sulla pelle umana e sensori sul corpo all’interno di scarpe e suole possono evidenziare la regolarità del passo.
c) Controllo dello stato di salute con teletrasmissione
Si propone una ricerca su nanosensori per il rilevamento di grandezze e segnali di interesse fisiopatologico. I microsensori basati su materiali innovativi possono essere integrati in vestiti, ambiente, dispositivi quotidiani (occhiali, bracciali, orecchini, collane) per il controllo dello stato di salute e benessere di un soggetto. I dati multiparametrici raccolti possono essere trasmessi telematicamente a stazioni di raccolta dati per elaborazioni di alto livello da parte di personale di un Centro Medico. L’osservazione multimodale di una serie di dati fisiopatologici di rilievo comportamentale, diagnostico, prognostico svolta permanentemente sull’individuo in modo non invasivo e soprattutto la loro interpretazione real time apre la possibilità di realizzare diagnosi assolutamente innovative di una serie di patologie di grande e crescente rilievo sociale sia di natura fisica che psichica. A solo titolo di esempio le patologie degenerative del Sistema Nervoso Centrale quali Parkinson, Alzaimer, Sclerosi Multipla, le patologie cardiovascolari quali ipertensione, insufficienze cardiache ischemia, le patolgie respiratorie quali broncopneopatie ostruttive croniche, asma, le patologie neuromuscolari quali distrofia muscolare, neuropatie periferiche le patologie muscoloscheletriche di origine traumatica e degenerativa etc. nonche malattie psichiche quali depressione, anoressia, bulimia, schizofrenia etc.
INTERNI (BIOTRONICI):
a) Dispositivi di monitoraggio diagnostico e farmacologico
Le nano e
microtecnologie possono sviluppare microattuatori impiantabili in grado di
modulare l’erogazione di farmaci somministrabili selettivamenti in specifici
organi e tessuti e/o provvedere la stimolazione elettrica di nervi, muscoli,
strutture cerebrali.
A titolo di esempio i nanodispositivi possono controllare: il rilascio di sostanze farmacologiche; la crescita di placche nei grandi vasi; lo stato di sforzo di tessuti legamentosi, le fratture ossee e altri tessuti dopo un intervento chirurgico; la formazione di cellule tumorali (permettendo una diagnosi precoce ed un intervento ai primi stadi del tumore) ed infine la demineralizzazione ossea (astronauti e anziani).
b) Sensori di rilevamento di segnali cerebrali
La misurazione dei segnali cerebrali può essere ottenuto con sensori di micro e nanotecnologie in grado di rilevare e trasmettere elettromagneticamente segnali biologici, chimici, meccanici ad un’unità esterna o impiantata per realizzare con minima invasività la stessa procedura di Intelligent Permanent Ambulatory Monitoring (IPAM). La prevenzione di malattie neurologiche e psichiche può essere ottenuta con microsensori intelligenti che rilevano il sorgere di condizioni patologiche, che attraverso la prevenzione informativa possono essere curate in tempo utile.
Come potrà
medicina sfruttare i successi della nanotecnologia? Le possibilità di utilizzo
vanno dalla diagnostica alla chirurgia fino alle terapie farmacologiche, si
studiano le applicazioni della micro e nano ingegneria in campo biomedico,
diagnostico in particolare.
Diagnosi
precoce in zone invisibili
Nella lotta ai
tumori, la sopravvivenza è in gran parte legata alla precocità della diagnosi.
In alcuni casi la tempestività dipende soprattutto dalla regolarità dei
controlli medici. Ma certe parti del corpo sono difficili da raggiungere ed
esaminare. La soluzione potrebbe essere rappresentata da microrobot in grado di
muoversi lungo i vasi sanguigni o di aderire agli organi tramite sistemi di
microsuzione.
Farmaci
consegnati a domicilio
le nanotecnologie
potranno anche aiutare i medici a portare farmaci direttamente nelle zone del
corpo (o addirittura alla singola cellula) dove sono necessari. Evitando così
sia dispersione di sostanze preziose sia effetti collaterali tossici su gli
organi sani.
Un chirurgo
piccolo piccolo
la chirurgia
costituisce un altra importante applicazione delle micro e delle nano
tecnologie. I microrobot possono essere dotati di bracci teleguidati e mini
strumenti per interventi di precisione. Grazia micro vani di silicio a
ultrasuoni i liquidi potranno essere aspirati o iniettati nel modo meno
invasivo possibile.
Sarà la medicina del futuro?
Gianni Vattimo scrive che “il problema della tecnica non è un problema
tra gli altri, sia pure importante, delle riflessioni del Novecento, ma è il
tema dominante, per lo più esplicito ma presente anche là dove non appare, di
tutta la riflessione e della cultura del secolo”. E mette in luce come anche la
condanna di ogni manipolazione deriva dal timore reverenziale di violare la
“natura” ad opera della “tecnica”.
Bibliografia:
Numerosissimi sono
i siti in cui si parla di nanotecnologia per cui se ne segnaleranno alcuni. Il
sito per eccellenza e quello del Foresight Institut http://www.foresight.org in cui si possono trovare definizioni,
esempi, documenti, articoli, risposte domande, nonché numerosi link ad altri
siti. Sullo stesso sito si troverà anche rimandi ad alcuni testi
sull’argomento.
Siti internet
http://www.healthtech.com Sito del BioMems and Biomedical Nanotech Center, Berkeley, Columbus Ohio, diretto dal prof. M. Ferrari
http://www.imeddinc.com Società di ricerca in ingegneria biomedica del prof. M. Ferrari
http://www.nano.me.berkeley.edu
http://www.nano.gov Sito ufficiale del governo Usa sulla ricerca nel campo delle nanotecnologie
http://www.nanotechnologyinstitute.org/products.html
http://www.cordis.lu/nanotechnology
ftp://ftp.cordis.lu/pub/nanotechnology/docs/nano_leaflet_052002_en.pdf
http://www.nanolab.ucla.edu/HTML/equipmenttraining/PECVD/alphastep4.cfm
http://www.foresight.org/Nanomedicine/index.html
http://www.nanospace.systems.org/ns_2000/NS00_agenda.htm
http://www.cordis.lu/it/src/i_006_it.htm
http://www.nnl.it Laboratorio Nazionale di Nanotecnologia
http://www.infm.it Istituto nazionale per la Fisica dalla Materia