Al igual que una brigada de baldes microscópicos, un microtúbulo artificial puede transportar rápidamente partículas diminutas a lo largo de peldaños magnéticos, llevándolas a una ubicación precisa incluso cuando opera contra una fuerte corriente.

La tecnología, desarrollada por un equipo de la Universidad de Pensilvania y ETH Zürich, algún día podría facilitar la administración de terapias dirigidas a través del torrente sanguíneo para tratar vasos bloqueados o tumores cancerosos.

Los hallazgos se publican en la revista Nature Machine Intelligence .

Los investigadores han explorado el potencial de los microrobots para "nadar" en el torrente sanguíneo como una forma de dirigir los medicamentos al lugar exacto donde se necesitan. El inconveniente de este enfoque es que los microrobots que nadan libremente luchan por abrirse camino contra los complejos flujos de fluidos que existen dentro del cuerpo humano.

"Como resultado, a menudo ves la dispersión de las partículas que te gustaría entregar", dice Arnold Mathijssen, autor correspondiente del trabajo y profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de Penn. "Realmente, lo que le gustaría lograr es tener la mayor concentración del agente terapéutico en un sitio y no dispersarlo en ningún otro lugar, ya que eso podría resultar en toxicidad".

Los catéteres y las microagujas han sido hasta ahora las técnicas de elección para completar estas intervenciones dirigidas. Sin embargo, los catéteres solo pueden miniaturizarse antes de que carezcan de la fuerza de bombeo necesaria para transportar carga microscópica. Del mismo modo, incluso las microagujas siguen siendo demasiado grandes para llegar a los vasos sanguíneos más estrechos.

Para superar estos obstáculos, Mathijssen y sus colegas buscaron inspiración en la biología.

"Cuando miras en la naturaleza, dentro de las células hay una hermosa solución", dice Mathijssen. "Los microtúbulos, que forman parte del citoesqueleto, usan motores moleculares para transportar vesículas a diferentes lugares de la célula. Estos motores encuentran una manera de lidiar con las fluctuaciones en el flujo que vemos en los vasos sanguíneos y en otras partes del cuerpo. Queríamos intente sintetizar algo similar en un entorno de nanotecnología para ver si podemos usarlo como un mecanismo de entrega eficiente".

Su diseño bioinspirado fue un microtúbulo artificial, fabricado primero en Suiza y luego en el Centro de Nanotecnología Singh de Penn. Estas fibras delgadas, compuestas de polímeros reticulados para darles elasticidad, se incrustaron con placas magnéticas hechas de níquel, intercaladas a distancias definidas como peldaños. Con solo 80 micrones de ancho, los microtúbulos serían lo suficientemente estrechos para deslizarse a través de vasos sanguíneos estrechos.

La aplicación de un campo magnético giratorio alrededor de los microtúbulos artificiales convierte los peldaños de níquel en imanes, a lo largo de los cuales "camina" una carga de microrobots de metal, uno al otro.

"Colocamos los microtúbulos en un campo magnético giratorio, como una máquina de resonancia magnética", dice Mathijssen. "Si rotas el campo lentamente, las partículas se mueven lentamente, y cuando rotas más rápido, las partículas también se aceleran".

Había un "punto dulce" en la fuerza del campo magnético, encontraron los científicos; girar demasiado rápido hizo que las partículas se deslizaran sobre la superficie y se dispersaran lejos del microtúbulo.

En experimentos que probaron el desempeño del mecanismo de transporte en redes similares a vasos sanguíneos, el equipo de investigación descubrió que las micropartículas podían viajar a lo largo de la fibra de los microtúbulos incluso cuando estaban sujetas a fuertes flujos de fluidos, ajustados para replicar el dinamismo del flujo sanguíneo. En comparación con las tecnologías existentes, la entrega de la microcarga se realizó rápidamente, un orden de magnitud más rápido. Y los ajustes finos del campo magnético aseguraron que la carga pudiera entregarse con precisión en la ubicación prevista, incluso en redes de buques complejas.

Esta nueva innovación no solo se basa en la naturaleza, sino que Mathijssen señala que, a su vez, puede brindar información sobre cómo funcionan los sistemas biológicos. Él y sus colegas observaron que, cuando las micropartículas se movían entre los peldaños, se autoensamblaban, formando grupos, cada uno atado a uno de los peldaños. Eventualmente, las partículas ensambladas se empujarían unas a otras en un esfuerzo colectivo. Mientras que algunos otros grupos han sugerido que esto podría ocurrir dentro de las células para mejorar el transporte del citoesqueleto, este trabajo proporciona la primera evidencia experimental del principio de propulsión.

"A veces construyes algo en el laboratorio y te puede decir algo nuevo sobre biología", dice.

Para aplicar esta estrategia de transporte de micropartículas en el mundo real, los investigadores prevén cambiar el níquel, que es tóxico, por otros materiales, como el óxido de hierro, que ya está aprobado por la FDA para uso interno. También mantienen una mente abierta en cuanto a las formas en que se podrían usar los microtúbulos. La administración dirigida de fármacos y la eliminación de la placa de los vasos sanguíneos son aplicaciones obvias, pero Mathijssen también está imaginando los beneficios de una fibra bidimensional. Envuelto alrededor de dispositivos médicos. Tal dispositivo podría administrar antimicrobianos para prevenir el crecimiento de biopelículas bacterianas peligrosas.

"Creemos que estas 'microcarreteras para microrobots' pueden proporcionar una solución alternativa a los microrobots que nadan libremente y otras tecnologías actuales", dice, "acercando mucho más a la realidad el microtransporte biomédico robusto". + Explora más

Microrobots biohíbridos basados ​​en bacterias en una misión para luchar algún día contra el cáncer