Los microrobots tienen el potencial de revolucionar la medicina. Investigadores del Max Planck ETH Center for Learning Systems ahora han desarrollado una técnica de imagen que por primera vez reconoce microrobots del tamaño de una célula individualmente y en alta resolución en un organismo vivo.

¿Cómo se puede eliminar un coágulo de sangre del cerebro sin ninguna intervención quirúrgica importante? ¿Cómo se puede administrar un fármaco con precisión en un órgano enfermo que es difícil de alcanzar? Esos son solo dos ejemplos de las innumerables innovaciones previstas por los investigadores en el campo de la microrobótica médica. Los pequeños robots prometen cambiar fundamentalmente los futuros tratamientos médicos:un día, podrían moverse a través de la vasculatura del paciente para eliminar tumores malignos, combatir infecciones o proporcionar información de diagnóstico precisa de forma totalmente no invasiva. En principio, según argumentan los investigadores, el sistema circulatorio podría servir como una ruta de entrega ideal para los microrobots, ya que llega a todos los órganos y tejidos del cuerpo.

Para que estos microrobots puedan realizar las intervenciones médicas previstas de forma segura y fiable, no deben ser más grandes que una célula biológica. En los humanos, una célula tiene un diámetro promedio de 25 micrómetros:un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Los vasos sanguíneos más pequeños de los humanos, los capilares, son aún más delgados:su diámetro promedio es de solo 8 micrómetros. Los microrobots deben ser correspondientemente pequeños para poder pasar sin obstáculos a través de los vasos sanguíneos más pequeños. Sin embargo, un tamaño tan pequeño también los hace invisibles a simple vista, y la ciencia tampoco ha encontrado aún una solución técnica para detectar y rastrear los robots de tamaño micrométrico individualmente mientras circulan en el cuerpo.

Seguimiento de microrobots circulantes por primera vez

"Antes de que este escenario futuro se convierta en realidad y los microrobots se usen realmente en humanos, la visualización y el seguimiento precisos de estas pequeñas máquinas son absolutamente necesarios", dice Paul Wrede, quien es becario doctoral en el Centro Max Planck ETH para Sistemas de Aprendizaje (CLS). .

"Sin imágenes, la microrrobótica es esencialmente ciega", agrega Daniel Razansky, profesor de imágenes biomédicas en ETH Zurich y la Universidad de Zurich y miembro de CLS. "Las imágenes de alta resolución en tiempo real son, por lo tanto, esenciales para detectar y controlar microrobots del tamaño de una célula en un organismo vivo". Además, las imágenes también son un requisito previo para monitorear las intervenciones terapéuticas realizadas por los robots y verificar que hayan llevado a cabo su tarea según lo previsto. "La falta de capacidad para proporcionar información en tiempo real sobre los microrobots fue, por lo tanto, un obstáculo importante en el camino hacia la aplicación clínica".

Junto con Metin Sitti, un experto en microrrobótica líder en el mundo que también es miembro de CLS como Director del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y Profesor de Inteligencia Física de ETH, y otros investigadores, el equipo ahora ha logrado un importante gran avance en la fusión eficiente de microrrobótica e imágenes. En un estudio recién publicado en la revista científica Science Advances , lograron por primera vez detectar y rastrear claramente robots diminutos de hasta cinco micrómetros en tiempo real en los vasos cerebrales de ratones utilizando una técnica de imagen no invasiva.

Los investigadores utilizaron microrobots con tamaños que oscilaban entre 5 y 20 micrómetros. Los robots más pequeños tienen aproximadamente el tamaño de los glóbulos rojos, que tienen entre 7 y 8 micrómetros de diámetro. Este tamaño hace posible que los microrobots inyectados por vía intravenosa viajen incluso a través de los microcapilares más delgados del cerebro del ratón.

Los investigadores también desarrollaron una tecnología de tomografía optoacústica dedicada para detectar los pequeños robots uno por uno, en alta resolución y en tiempo real. Este método de imagen único hace posible detectar los diminutos robots en regiones profundas y difíciles de alcanzar del cuerpo y el cerebro, lo que no habría sido posible con microscopía óptica o cualquier otra técnica de imagen. El método se llama optoacústico porque la luz primero es emitida y absorbida por el tejido respectivo. La absorción luego produce pequeñas ondas de ultrasonido que pueden detectarse y analizarse para generar imágenes volumétricas de alta resolución.

Robots con cara de Jano y capa de oro

Para que los microrobots fueran muy visibles en las imágenes, los investigadores necesitaban un material de contraste adecuado. Por lo tanto, para su estudio, utilizaron microrobots esféricos basados ​​​​en partículas de sílice con un revestimiento llamado tipo Janus. Este tipo de robot tiene un diseño muy robusto y está muy bien calificado para tareas médicas complejas. Lleva el nombre del dios romano Jano, que tenía dos caras. En los robots, las dos mitades de la esfera están recubiertas de forma diferente. En el estudio actual, los investigadores recubrieron la mitad del robot con níquel y la otra mitad con oro.

"El oro es un agente de contraste muy bueno para las imágenes optoacústicas", explica Razansky, "sin la capa dorada, la señal generada por los microrobots es demasiado débil para ser detectada". Además del oro, los investigadores también probaron el uso de pequeñas burbujas llamadas nanoliposomas, que contenían un tinte verde fluorescente que también servía como agente de contraste. "Los liposomas también tienen la ventaja de que se pueden cargar con fármacos potentes, lo cual es importante para los enfoques futuros de la administración de fármacos dirigidos", dice Wrede, el primer autor del estudio. Los usos potenciales de los liposomas se investigarán en un estudio de seguimiento.

Además, el oro también permite minimizar el efecto citotóxico del recubrimiento de níquel; después de todo, si en el futuro los microrobots van a operar en animales vivos o humanos, deben ser biocompatibles y no tóxicos, lo cual es parte de una investigación en curso. . En el presente estudio, los investigadores utilizaron níquel como medio de accionamiento magnético y un imán permanente simple para tirar de los robots. En estudios de seguimiento, quieren probar la imagen optoacústica con manipulaciones más complejas utilizando campos magnéticos giratorios.

"Esto nos daría la capacidad de controlar y mover con precisión los microrobots incluso en sangre que fluye con fuerza", dice Metin Sitti. "En el presente estudio nos enfocamos en visualizar los microrobots. El proyecto fue un gran éxito gracias al excelente entorno de colaboración en el CLS que permitió combinar la experiencia de los dos grupos de investigación en MPI-IS en Stuttgart para la parte robótica y ETH Zurich para la parte de la imagen", concluye Sitti. + Explora más

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