Los microrobots diseñados para administrar medicamentos a las células enfermas se inspiran en las larvas de estrellas de mar
El nuevo microrobot inspirado en las larvas de estrellas de mar remueve cuentas de plástico. Crédito: Cornel Dillinger/ETH Zurich
Investigadores de ETH Zurich han desarrollado un pequeño robot que imita el movimiento de una larva de estrella de mar. Está impulsado por ondas de sonido y está equipado con diminutos pelos que dirigen el fluido a su alrededor, al igual que su modelo natural. En el futuro, estos micronadadores podrían administrar medicamentos a las células enfermas con una precisión milimétrica.
Entre los científicos, hay un gran interés en las máquinas diminutas que están destinadas a revolucionar la medicina. Estos microrobots, a menudo de una fracción del diámetro de un cabello, están hechos para nadar a través del cuerpo para administrar medicamentos en áreas específicas y realizar los procedimientos quirúrgicos más pequeños.
Los diseños de estos robots a menudo se inspiran en microorganismos naturales como bacterias o algas. Ahora, por primera vez, un grupo de investigación de ETH Zurich ha desarrollado un diseño de microrobot inspirado en las larvas de estrellas de mar, que utilizan bandas ciliares en su superficie para nadar y alimentarse. El sistema sintético activado por ultrasonido imita la disposición natural de las bandas ciliares de las estrellas de mar y aprovecha la acústica no lineal para replicar el movimiento de la larva y las técnicas de manipulación.
Pelos para expulsar el líquido o succionarlo
A primera vista, los microrobots tienen poca similitud con las larvas de estrellas de mar. En su etapa larvaria, una estrella de mar tiene un cuerpo lobulado que mide solo unos pocos milímetros de ancho. Mientras tanto, el microrobot es un rectángulo y diez veces más pequeño, solo un cuarto de milímetro de ancho. Pero los dos comparten una característica importante: una serie de pelos finos y móviles en la superficie, llamados cilios.
Una larva de estrella de mar está cubierta con cientos de miles de estos pelos. Dispuestos en filas, golpean de un lado a otro de manera coordinada, creando remolinos en el agua circundante. La orientación relativa de dos filas determina el resultado final: inclinar dos bandas de cilios que golpean entre sí crea un vórtice con un efecto de empuje, impulsando la larva. Por otro lado, inclinar dos bandas separadas una de la otra crea un vórtice que atrae líquido, atrapando partículas de las que se alimenta la larva.
Dependiendo de si está nadando o alimentándose, la larva de estrella de mar genera diferentes patrones de vórtices. Crédito: Laboratorio Prakash, Universidad de Stanford
Los nadadores artificiales laten más rápido
Estos cilios fueron el elemento de diseño clave para el nuevo microrobot desarrollado por investigadores de ETH dirigidos por Daniel Ahmed, quien es profesor de robótica acústica de por vida. ciencias y salud. «Al principio», dijo Ahmed, «simplemente queríamos probar si podíamos crear vórtices similares a los de la larva de la estrella de mar con filas de cilios inclinados hacia o alejándose uno del otro».
Con este fin, Los investigadores usaron fotolitografía para construir un microrobot con bandas ciliares adecuadamente inclinadas. Luego aplicaron ondas de ultrasonido de una fuente externa para hacer que los cilios oscilaran. Las versiones sintéticas latían de un lado a otro más de diez mil veces por segundo, unas mil veces más rápido que las de una larva de estrella de mar. Y al igual que con la larva, estos cilios batientes se pueden usar para generar un vórtice con un efecto de succión en la parte delantera y un vórtice con un efecto de empuje en la parte trasera, el efecto combinado «impulsando» al robot hacia adelante.
En su laboratorio, los investigadores demostraron que los microrobots pueden nadar en línea recta a través de líquidos como el agua. Agregar pequeñas perlas de plástico al agua hizo posible visualizar los vórtices creados por el microrobot. El resultado es asombroso: tanto la larva de estrella de mar como los microrobots generan patrones de flujo prácticamente idénticos.
A continuación, los investigadores colocaron las bandas ciliares de manera que un vórtice de succión se colocara junto a un vórtice de empuje, imitando la técnica de alimentación utilizada por la larva de estrella de mar . Este arreglo permitió a los robots recolectar partículas y enviarlas en una dirección predeterminada.
Además de nadar, el nuevo microrobot puede recolectar partículas y dirigirlas en una dirección predeterminada. Crédito: Cornel Dillinger/ETH Zurich
El ultrasonido ofrece muchas ventajas
Ahmed está convencido de que este nuevo tipo de microrobot estará listo para su uso en medicina en un futuro previsible. Esto se debe a que un sistema que se basa únicamente en el ultrasonido ofrece ventajas decisivas: las ondas de ultrasonido ya se utilizan ampliamente en imágenes, penetran profundamente en el cuerpo y no presentan riesgos para la salud.
El hecho de que esta terapia requiera solo un El dispositivo de ultrasonido lo hace barato, agrega, y por lo tanto adecuado para su uso tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo.
Ahmed cree que un campo inicial de aplicación podría ser el tratamiento de tumores gástricos. La absorción de fármacos convencionales por difusión es ineficiente, pero tener microrobots que transporten un fármaco específicamente al sitio de un tumor estomacal y luego lo administren allí podría hacer que la absorción del fármaco en las células tumorales sea más eficiente y reducir los efectos secundarios.
Imágenes más nítidas gracias a los agentes de contraste
Pero antes de que esta visión pueda hacerse realidad, queda un gran desafío por superar: la obtención de imágenes. Dirigir las diminutas máquinas al lugar correcto requiere que se genere una imagen nítida en tiempo real. Los investigadores tienen planes para hacer que los microrobots sean más visibles al incorporar agentes de contraste como los que ya se usan en imágenes médicas con ultrasonido.
Además de las aplicaciones médicas, Ahmed anticipa que este diseño inspirado en las estrellas de mar tendrá importantes implicaciones para la manipulación de los volúmenes de líquido más pequeños en la investigación y en la industria. Bandas de cilios batientes podrían ejecutar tareas como mezclar, bombear y atrapar partículas.
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Las larvas de estrellas de mar crean complejos remolinos de agua para comer y correr Más información: Cornel Dillinger et al, Bandas ciliares activadas por ultrasonido para sistemas microrobóticos inspirados en estrellas de mar, Nature Communications (2021) ). DOI: 10.1038/s41467-021-26607-y Información del diario: Nature Communications
Proporcionado por ETH Zurich Cita: Los microrobots diseñados para administrar medicamentos a las células enfermas encuentran inspiración in starfish larva (2021, 9 de noviembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-11-microrobots-drugs-diseased-cells-starfish.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.