Tecnologia Científica

Minúsculos robôs de enxame de inspiração biológica para intervenções médicas direcionadas
Pesquisadores da ETH Zurich e do Helmholtz Institute Erlangen – Nürnberg for Renewable Energy desenvolveram recentemente robôs micro e nanométricos inspirados em micro-nadadores biológicos (por exemplo, bactérias ou espermatozóides).
Por Ingrid Fadelli - 25/01/2021


Micro-nadadores de ocorrência natural, como espermatozóides e bactérias, exploram as condições de limite de não escorregamento para executar movimento ascendente ao longo da parede. Imagem 1: Crédito: Ahmed et al.

Robôs de micro-tamanho podem trazer uma nova onda de inovação na área médica, permitindo que os médicos acessem regiões específicas dentro do corpo humano sem a necessidade de procedimentos altamente invasivos. Entre outras coisas, esses minúsculos robôs poderiam ser usados ​​para transportar drogas, genes ou outras substâncias para locais específicos dentro do corpo, abrindo novas possibilidades para o tratamento de diferentes condições médicas.

Pesquisadores da ETH Zurich e do Helmholtz Institute Erlangen – Nürnberg for Renewable Energy desenvolveram recentemente robôs micro e nanométricos inspirados em micro-nadadores biológicos (por exemplo, bactérias ou espermatozóides). Esses pequenos robôs , apresentados em um artigo publicado na Nature Machine Intelligence , são capazes de motilidade rio acima, o que essencialmente significa que eles podem se mover autonomamente na direção oposta àquela em que um fluido (por exemplo, sangue) flui. Isso os torna particularmente promissores para intervir dentro do corpo humano .

"Acreditamos que as ideias discutidas em nosso estudo multidisciplinar podem transformar muitos aspectos da medicina, permitindo tarefas como a entrega direcionada e precisa de medicamentos ou genes, bem como facilitando cirurgias não invasivas", Daniel Ahmed, autor principal do artigo recente , disse TechXplore.

Os sistemas micro / nanorobóticos sem fio e bioinspirados desenvolvidos por Ahmed e seus colegas exploram as condições de contorno antiderrapantes de uma parede para mover-se rio acima, respondendo a campos acústicos e magnéticos acionados externamente. Nadando contra a corrente sanguínea , os robôs poderiam ser usados ​​para entregar pequenas moléculas de drogas a locais dentro do corpo que são particularmente difíceis de alcançar.

Em um sistema bioinspirado, as partículas superparamagnéticas injetadas no capilar se
auto-montam em um microaquecimento giratório devido à interação dipolo-dipolo de
um campo magnético giratório. O microaquecimento mostrou ser marginalizado em
direção à parede devido à presença de nós de pressão acústica (marcados como
linhas pretas tracejadas). Imagem 1: Crédito: Ahmed et al.

"Robôs induzidos por campo externo são um conceito atraente porque não requerem uma fonte de alimentação interna ou peças móveis complexas, o que significa que podem ser reduzidos a uma resolução nanométrica", disse Ahmed. "Além disso, os campos acústicos e magnéticos são seguros para os humanos, não são invasivos, podem penetrar profundamente no corpo humano e são bem desenvolvidos em ambientes clínicos."

Ao combinar campos acústicos e magnéticos, o sistema robótico idealizado pelos pesquisadores pode ajudar a superar alguns dos problemas observados em outros micro-nadadores artificiais baseados em técnicas de acionamento único. Além disso, como respondem a campos aplicados fora do corpo, os micro / nano robôs não requerem uma fonte de alimentação de bordo ou componentes altamente sofisticados e caros.
 
“Normalmente, minúsculos agentes injetados seguem a corrente sanguínea da vasculatura com pouco ou nenhum controle no sistema circulatório”, explicou Ahmed. "Descobertas recentes, no entanto, mostraram que muitos micro nadadores de ocorrência natural, como bactérias e espermatozóides, exibem propulsão contra o fluxo, explorando as condições de contorno antiderrapantes da parede. O movimento a montante se torna possível porque a velocidade na parede é mínima."

Até agora, o uso de robôs de tamanho micro ou nanométrico foi limitado, particularmente dentro do sistema vascular (ou seja, os vasos pelos quais o sangue e a linfa viajam por todo o corpo). Uma razão para isso é que os robôs que operam no sistema vascular devem ser facilmente controlados de forma não invasiva e devem ser capazes de se mover na direção oposta àquela em que o sangue flui, duas características que até agora se mostraram bastante difíceis de alcançar.

O novo sistema robótico desenvolvido por Ahmed e seus colegas tem essas duas qualidades, pois é capaz de se mover a montante e é controlado por meio de campos acústico-magnéticos aplicados externamente. No futuro, este estudo recente pode, portanto, abrir novas possibilidades interessantes para a realização de cirurgias direcionadas ou entrega de substâncias em locais específicos dentro do corpo através do sistema vascular.

"A velocidade do fluxo sanguíneo em modelos de animais pequenos, como rato, camundongo e peixe-zebra, está na faixa de alguns mms -1 ", disse Ahmed. "Agora planejamos incorporar nossos sistemas microrobóticos de enxame com modalidade de imagem apropriada para visualizar e navegar robôs in vivo em pequenos animais. A capacidade de impulsionar contra os fluxos pode fornecer oportunidades emocionantes para aplicação em terapêutica direcionada na vasculatura tumoral."

 

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