Los micro o incluso nano robots podrían algún día realizar tareas médicas en el cuerpo humano. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart han dado ahora un primer paso hacia este objetivo. Han logrado construir cuerpos de natación que cumplen simultáneamente dos requisitos:son lo suficientemente pequeños para ser utilizados en fluidos corporales o incluso en células individuales, y son capaces de navegar a través de fluidos biológicos complejos.

En la película de 1966 Viaje fantástico, un submarino completo con tripulación se reduce de tamaño para que pueda navegar a través del cuerpo humano, permitiendo a la tripulación realizar una cirugía en el cerebro. Este escenario permanece en el ámbito de la ciencia ficción, y el transporte de un equipo quirúrgico al sitio de una enfermedad ciertamente seguirá siendo una ficción. Sin embargo, Los diminutos submarinos que podrían navegar a través del cuerpo podrían ser de gran beneficio:podrían entregar medicamentos con precisión a un lugar objetivo, un punto en la retina, por ejemplo. Y podrían hacer posible realizar una terapia génica en una célula específica.

Si las cosas salen según Peer Fischer, líder del Micro, Grupo de Investigación de Sistemas Nano y Moleculares en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, entonces, en un futuro previsible, los médicos recurrirán a micro o incluso nano robots para llevar a cabo estas tareas. Los pequeños ayudantes se enfocarían con precisión en los objetivos en el cuerpo, eliminando la necesidad de una cirugía mayor, o haciendo que algunos procedimientos sean mínimamente invasivos.

Una vieira microscópica no podía nadar en el agua

Sin embargo, Hay dos desafíos fundamentales para lograr estos objetivos. Obviamente, dichos vehículos deben ser lo suficientemente pequeños como para inyectarse en el globo ocular, por ejemplo, con una jeringa. En segundo lugar, una vez introducido en el cuerpo, deben poder moverse a través de los fluidos y tejidos corporales. En ambos frentes, el grupo de investigación dirigido por Peer Fischer ha logrado avances significativos.

Junto con investigadores del Technion en Israel y la Universidad Técnica de Dortmund, El grupo con sede en Stuttgart describe en un artículo reciente una especie de vieira artificial de unos pocos cientos de micrómetros de diámetro. Lo diseñaron para que el dispositivo viaje en líquidos simplemente abriendo y cerrando sus carcasas. Esto no es tan obvio como parece. "El caparazón es solo unas pocas veces más grande que el grosor de un cabello humano, ", dice Fischer." Un líquido como el agua es tan viscoso para estos dispositivos como la miel o incluso el alquitrán para nosotros ". Y con tanta fricción en los fluidos, movimientos simétricos, como la apertura y el cierre recíprocos de una concha de vieira, no daría lugar a ninguna propulsión hacia adelante. Los movimientos de ida y vuelta causados ​​por los movimientos opuestos simplemente se cancelarían entre sí.

Por esta razón, de hecho, la micro-vieira no se movería del lugar. Sin embargo, porque los investigadores se han fijado a largo plazo en utilizar el dispositivo en medios biológicos, probaron a su nadador directamente en los fluidos de modelo apropiados. Estos tienen características que los distinguen del agua. "La mayoría de los fluidos corporales tienen la propiedad de que su viscosidad cambia según la velocidad de movimiento, "dice Fischer." En el líquido sinovial que se encuentra en las articulaciones, por ejemplo, Las moléculas de ácido hialurónico se organizan en estructuras en forma de red que dan como resultado una alta viscosidad. Pero tan pronto como algo se mueve a través de este fluido, la malla molecular se rompe y el fluido se vuelve menos viscoso ".

El control magnético se utiliza para abrir y cerrar la vieira.

Los científicos aprovecharon precisamente esta propiedad fluida. Controlan la vieira para que se abra mucho más rápido de lo que se cierra. "Este patrón de movimiento temporalmente asimétrico hace que el fluido sea menos viscoso durante la apertura que durante la carrera de cierre posterior, "dice el estudiante de doctorado Tian Qiu, miembro del equipo en Stuttgart. Por lo tanto, la distancia que recorre la vieira cuando se abre no es la misma que la distancia que se mueve hacia atrás cuando se cierra, y esto provoca una propulsión neta hacia adelante. Esta es la primera vez que un dispositivo artificial de este tamaño ha podido moverse a través de fluidos mediante ciclos de movimiento simétrico. dice Tian Qiu.

Para controlar a sus micro nadadores, los investigadores integraron minúsculos imanes de tierras raras en las dos conchas de vieira. Esto les permite controlar cómo se abren y cierran las conchas de vieira y, en última instancia, cómo se mueve el dispositivo, mediante la aplicación de un campo magnético externo. Sin embargo, El descubrimiento de los investigadores de que los microdispositivos pueden nadar a través de algunos líquidos con movimientos simétricos no solo se aplica a los micro robots impulsados ​​magnéticamente. En efecto, Un submarino en miniatura en forma de vieira también podría ser impulsado por un actuador que responde, por ejemplo, a los cambios de temperatura.

La micro-vieira real estaba hecha de un plástico relativamente duro. El desafío era hacer las conchas extremadamente delgadas, pero al mismo tiempo lo suficientemente resistentes como para que permanezcan rígidos en un medio viscoso.

Los científicos, que han publicado su trabajo en Comunicaciones de la naturaleza , quieren poner a prueba a sus micro nadadores en fluidos biológicos específicos. "Estamos interesados ​​en el siguiente paso, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.

A nano-screw acts as a propeller

This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Sin embargo, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Ahora, por primera vez, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Por esta razón, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, por ejemplo, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Theoretically, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

Entonces, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.