3D

May 27, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5875 (2022) Citer cet article

11 000 accès

27 citations

14 Altmétrique

Détails des métriques

Les microrobots ont attiré l’attention des scientifiques en raison de leurs capacités uniques à accomplir des tâches dans des endroits difficiles d’accès du corps humain. Les microrobots peuvent être actionnés et manœuvrés avec précision, individuellement ou en essaim, pour des applications de livraison de marchandises, d'échantillonnage, de chirurgie et d'imagerie. De plus, les microrobots ont trouvé des applications dans le secteur environnemental (par exemple, le traitement de l'eau). En outre, les progrès récents des imprimantes tridimensionnelles (3D) ont permis la fabrication haute résolution de microrobots avec un délai de conception-production plus rapide pour les utilisateurs ayant des compétences limitées en microfabrication. Ici, les dernières applications finales des microrobots imprimés en 3D sont passées en revue (allant des applications environnementales aux applications biomédicales) ainsi qu'une brève discussion sur les méthodes d'actionnement réalisables (par exemple, embarquées et hors bord) et les technologies d'impression 3D pratiques pour la fabrication de microrobots. En outre, dans une perspective future, nous avons discuté des avantages potentiels de l’intégration de microrobots avec des matériaux intelligents et des avantages envisageables de la mise en œuvre de l’intelligence artificielle (IA) ainsi que de l’intelligence physique (IP). De plus, afin de faciliter la traduction des microrobots du laboratoire au chevet, les défis actuels qui entravent la traduction clinique des microrobots sont élaborés, notamment les obstacles à l'entrée (par exemple, les attaques du système immunitaire) et les procédures de test standard lourdes pour garantir la biocompatibilité.

La science émergente des machines et des robots fabriqués à l’échelle du micro et du nanomètre (micro et nano-robots) a énormément progressé au cours de la dernière décennie1,2. Alors que les nouvelles méthodes de fabrication additive (c'est-à-dire les techniques d'impression tridimensionnelles (3D)) dépassent les limitations liées à la taille, les fonctionnalités de ces robots ont progressé grâce à l'utilisation de matériaux intelligents (c'est-à-dire des matériaux conçus pour répondre à une certaine condition telle que comme un pH spécifique ou un niveau de protéine), des techniques d'actionnement plus précises (c'est-à-dire des méthodes embarquées et externes) et l'intégration avec l'intelligence physique (IP) ainsi qu'avec l'intelligence artificielle (IA). En conséquence, ces robots deviennent l'un des dispositifs émergents pour les applications biomédicales, atteignant leur position de prochain changement de paradigme potentiel dans la médecine mini-invasive3 (par exemple, les microchirurgies4 ainsi que la détection, la manipulation, l'assemblage et l'isolement d'objets5,6), ciblés les livraisons de cellules/médicaments7,8,9,10 et la navigation maniable dans des milieux visqueux11 (par exemple, des fluides biologiques tels que le sang) à des fins d'imagerie/de numérisation12,13,14,15,16,17.

Par définition, les imprimantes 3D produisent des objets couche par couche sur la base d'une conception assistée par ordinateur (CAO)18,19,20,21,22. L’impression 3D a contribué de manière significative à différents domaines biomédicaux allant de la microfluidique aux technologies de laboratoire/organe sur puce23,24,25,26,27,28,29,30. En comparaison avec les méthodes conventionnelles de fabrication de microrobots (par exemple, méthodes de lithographie31,32, techniques de dépôt utilisant l'électrochimie33,34,35 ou des vapeurs physiques36,37, techniques d'assemblage38, technologie d'enroulement39, placage autocatalytique40 et méthode d'ingénierie de déformation41), les technologies d'impression 3D offrent un processus relativement rentable avec des intervalles d'exécution rapides entre les modifications de conception. En outre, une large gamme de matériaux peuvent être imprimés en 3D, notamment les métaux42,43, les polymères (par exemple, les plastiques et les hydrogels)44,45,46,47,48,49, les bio-encres (c'est-à-dire les matériaux biocompatibles avec/sans cellules intégrées)50. ,51,52 et composites53,54,55. Par conséquent, une accessibilité relativement élevée et un niveau de reproductibilité plus élevé renforcent la position de l’impression 3D en tant que méthode émergente de production de microrobots, même pour les utilisateurs ne possédant pas de superbes compétences en microfabrication1,56,57.

Dans une perspective future, l'IA peut non seulement accélérer la conception d'un microrobot en optimisant les paramètres de conception avec plus de précision qu'un expert humain (par exemple, en déterminant les dimensions optimales pour minimiser la friction de nage dans certains biofluides), mais elle peut également jouer un rôle dans la conception des matériaux. -sélection basée sur les propriétés chimiques du site cible1,58,59. En outre, l'IA peut être utilisée pour prédire l'imprimabilité d'une conception et ajuster les paramètres d'impression 3D afin d'obtenir la meilleure impression possible (par exemple, en ajustant l'intensité lumineuse (dans les méthodes induites par la lumière) ou la pression/température (dans les méthodes basées sur l'extrusion)). . Après la production, l'IA faciliterait le contrôle des microrobots in vitro/vivo en ajustant les paramètres d'actionnement pour garantir que les microrobots atteindront le site cible malgré des changements imprévus dans l'environnement (par exemple, un changement imprévu du débit sanguin dans un vaisseau). L'IP, en revanche, peut permettre aux microrobots d'agir de manière indépendante en détectant et en s'adaptant à l'environnement dans lequel ils évoluent (par exemple, libération de médicaments à un certain niveau de pH)60. Cependant, malgré tous les progrès réalisés dans la fabrication et l’actionnement des microrobots, la traduction de ces dispositifs médicaux du laboratoire au chevet reste encore un défi. Même si la production de masse et de manière rentable de dispositifs robotiques à micro-échelle reste un défi à relever, les microrobots doivent faire face à des obstacles depuis leur entrée dans le corps jusqu'au site cible (par exemple, être attaqués et éliminés par le système immunitaire du corps)61 . De plus, les normes de test actuelles visant à garantir la sécurité et la fonctionnalité des microrobots nécessitent des procédures lourdes et coûteuses, retardant la première traduction des microrobots pour des applications cliniques commercialisées (Fig. 1)62.