Los nanorobots y otros mini vehículos podrían realizar servicios importantes en medicina algún día, por ejemplo, realizando operaciones controladas a distancia o transportando agentes farmacéuticos a una ubicación deseada en el cuerpo. Sin embargo, Hasta la fecha, ha sido difícil dirigir con precisión a estos micro y nano nadadores a través de fluidos biológicos como la sangre, líquido sinovial o el interior del globo ocular. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart están presentando ahora dos nuevos enfoques para construir sistemas de propulsión para cuerpos flotantes diminutos. En el caso de un motor, la propulsión es generada por burbujas que oscilan por ultrasonido. Con el otro, una corriente provocada por el producto de una reacción enzimática impulsa a un nano nadador.

Los aviones a reacción han marcado el camino. Queman combustible expulsar los productos de combustión en una dirección y, como resultado, moverse en la dirección opuesta. Los investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart lo hacen de una manera muy similar, aunque a una escala mucho menor. Su nanorobot submarino es un nanotubo de pared simple hecho de dióxido de silicio, apenas 220 nanómetros (mil millonésimas de metro) de diámetro. Una partícula de esa naturaleza normalmente no podría propulsarse en fluidos. Por lo tanto, los científicos recubrieron solo la superficie interna o interna, así como la superficie externa o del nanotubo con la enzima ureasa que descompone la urea en amoníaco y dióxido de carbono.

Si un nanotubo preparado de esta manera se introduce en un fluido que contiene urea, esta urea se descompone en la pared interna recubierta de ureasa. Los productos de reacción generan una corriente en el fluido que los expulsa del tubo como un chorro. Como tal nanonadador es más delgado en un extremo que en el otro o la urea no se distribuye de manera homogénea sobre su superficie, esto resulta en un empuje, de modo que el micro-nadador experimenta propulsión en la dirección opuesta, como en un avión a reacción. Los nanojets alcanzaron velocidades de 10 micrómetros por segundo, es decir, casi cuatro centímetros por hora.

El motor a reacción más pequeño del mundo

Cierto es que, recubrir un nanorobot para lograr un impulso químico no es nada nuevo. Sin embargo, el tubo ahora presentado, con su apertura de 220 nanómetros, representa el sistema de propulsión a chorro más pequeño construido hasta ahora en el mundo. "Nuestro récord anterior, que todavía está en el Libro Guinness de los Récords, era aproximadamente tres veces más grande ", explica Samual Sánchez, quien lidera el Grupo Smart NanoBioDevices en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes de Stuttgart y al mismo tiempo es profesor en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña en Barcelona.

Y hay otro aspecto nuevo del nanojet que los científicos del Instituto de Tecnología de Harbin en Shenzhen en China también ayudaron a desarrollar:por primera vez, todos los materiales y componentes de reacción utilizados son totalmente biocompatibles. "Los impulsos químicos anteriores de este tipo generalmente se basaban en un catalizador metálico en cuya superficie el peróxido de hidrógeno se descomponía en moléculas de hidrógeno y oxígeno", dice Sánchez. Se crean burbujas de oxígeno en el proceso, que crea un empuje en la dirección opuesta. Tanto el peróxido de hidrógeno como las burbujas de gas tendrían desventajas si se usaran en el cuerpo humano. Pero este no es el caso de la versión recubierta de ureasa con sus productos de reacción solubles en agua y, por lo tanto, sin burbujas. "La ureasa ocurre de todos modos en el organismo humano", Sánchez explica.

Los investigadores ahora quieren probar la biocompatibilidad con mayor precisión y, en el proceso, examinar si pueden implantar dichos microtubos en células individuales. "Eso sería necesario, por supuesto, para llevar las moléculas de los fármacos a su destino, por ejemplo", dice Sánchez.

Las burbujas oscilantes proporcionan empuje

Si bien las burbujas de gas aún no eran deseadas en el enfoque especificado, forman la pieza central de un principio de propulsión completamente nuevo para minirobos, qué colegas del Instituto en el Micro, Proponen el Grupo de Sistemas Nano y Moleculares liderado por Peer Fischer. Sin embargo, aquí las burbujas de gas no burbujean libremente a través del fluido y, por lo tanto, no pueden dañar el organismo. Bastante, los investigadores encierran las microburbujas en pequeñas cámaras cilíndricas a lo largo de una tira de plástico. Para proporcionar la unidad, por lo tanto, las burbujas de gas se expanden y contraen cíclicamente porque el ultrasonido las hace oscilar. Como las burbujas pulsantes están en cámaras abiertas en un lado, solo se expanden a través de esta abertura. En el proceso, ejercen una fuerza en la pared opuesta de la cámara que impulsa la tira de plástico. Para lograr una propulsión digna de mención, los investigadores dispusieron varias cámaras con burbujas de aire en paralelo en su tira de polímero.

Un aspecto notable:la frecuencia de onda de sonido necesaria para hacer que oscilen depende del tamaño de las diminutas burbujas. Cuanto más grandes son las burbujas, cuanto menor sea la frecuencia de resonancia correspondiente. Los investigadores utilizaron esta conexión para hacer que su nadador girara alternativamente en sentido horario y antihorario. Para hacerlo colocaron burbujas de diferentes tamaños en las dos mitades de las cuatro, caras largas cuboides divididas longitudinalmente. Luego se usaron dos frecuencias de sonido diferentes en un líquido para hacer que todas las burbujas de un tamaño oscilaran. De este modo, los científicos generaron empujes exclusivamente en la mitad de la cara cuboide, lo que hizo que girara sobre su propio eje. Este pequeño motor de rotación accionado acústicamente con áreas longitudinales de cinco milímetros cuadrados de tamaño alcanzó hasta mil rotaciones por minuto en el proceso.

Una posibilidad para guiar a los mini-nadadores

"La variación en el tamaño de las burbujas permite que un mini-nadador gire deliberadamente en diferentes direcciones", dice Tian Qiu, quien también realiza investigaciones en el Instituto Max Planck en Stuttgart y jugó un papel apreciable en el estudio. Según Qiu, Un beneficio adicional del nuevo principio de propulsión es que incluso los nadadores con una estructura geométrica complicada pueden recubrirse con tiras delgadas como una oblea junto con cámaras para las burbujas. Continúa explicando que el uso de ultrasonido también es adecuado para medios ópticamente impenetrables como la sangre. Ondas de luz, que también son un instrumento de control potencial para micro-accionamientos, no puede lograr nada en este caso. Los investigadores ahora quieren utilizar pruebas en medios biológicos reales para comprobar si el nuevo principio de impulso también es capaz de aprovechar al máximo sus ventajas en la práctica.