(Noticias de Nanowerk) Al igual que una cadena de cubos microscópica, un microtúbulo artificial puede transportar rápidamente partículas diminutas a lo largo de peldaños magnéticos y llevarlas a una ubicación precisa, incluso cuando trabaja contra una fuerte corriente.
La tecnología, desarrollada por un equipo de la Universidad de Pensilvania y ETH Zurich, algún día podría facilitar la administración de terapias dirigidas a través del torrente sanguíneo para tratar vasos bloqueados o tumores cancerosos.
Los resultados se publican hoy en la revista Naturaleza Máquina Inteligencia («Microtúbulos artificiales para el transporte rápido y colectivo de microcargas magnéticas»).
Los investigadores han estudiado el potencial de los microrobots para «nadar» en el torrente sanguíneo para dirigir los medicamentos exactamente donde se necesitan. La desventaja de este enfoque es que los microrobots que nadan libremente tienen dificultades para afirmarse frente a los complejos flujos de fluidos en el cuerpo humano.
«Como resultado, a menudo ves la dispersión de las partículas que estás tratando de entregar», dice Arnold Mathijssen, autor correspondiente del artículo y profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de Penn. «Lo que realmente quiere lograr es tener la mayor concentración de la terapéutica en un lugar y no esparcirla en otros lugares porque eso podría provocar toxicidad».
Los catéteres y las microagujas han sido las técnicas de elección para completar estas intervenciones específicas. Pero los catéteres solo se pueden miniaturizar hasta el punto en que carecen de la potencia de bombeo necesaria para transportar carga microscópica. Del mismo modo, incluso las microagujas siguen siendo demasiado grandes para alcanzar los vasos sanguíneos más estrechos.
Para superar estos obstáculos, Mathijssen y sus colegas recurrieron a la biología en busca de inspiración.
«Si observas la naturaleza, hay una hermosa solución en las células», dice Mathjissen. “Los microtúbulos, que son 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 intentar sintetizar algo similar en un entorno de nanotecnología para ver si podíamos usarlo como un mecanismo de entrega eficiente”.
Su diseño bioinspirado fue un microtúbulo artificial, primero hecho 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 de níquel intercaladas como peldaños a intervalos definidos. Con un ancho de solo 80 micrones, los microtúbulos serían lo suficientemente estrechos para deslizarse a través de vasos sanguíneos estrechos.
Al aplicar un campo magnético giratorio alrededor de los microtúbulos artificiales, los peldaños de níquel se convierten en imanes a lo largo de los cuales un lote de microrobots de metal «caminan» de uno a 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 moverán lentamente, y si rotas más rápido, las partículas también se moverán más rápido».
Los científicos encontraron que había un «punto dulce» en la fuerza del campo magnético; Girar demasiado rápido hizo que las partículas se deslizaran sobre la superficie y se alejaran de los microtúbulos.
En los experimentos que probaron el rendimiento del mecanismo de transporte en redes similares a vasos sanguíneos, el equipo de investigación descubrió que las micropartículas podían moverse a lo largo de la fibra de los microtúbulos incluso cuando estaban sujetas a poderosos flujos de fluidos diseñados para imitar la dinámica del flujo sanguíneo. En comparación con las tecnologías existentes, la entrega de microcargas fue rápida, un orden de magnitud más rápida. Y los ajustes finos del campo magnético aseguraron que la carga pudiera entregarse con precisión en la ubicación prevista, incluso en redes de barcos complejas.
Esta nueva innovación no solo se basa en la naturaleza, sino que Mathijssen señala que, a su vez, puede proporcionar información sobre cómo funcionan los sistemas biológicos. Él y sus colegas observaron que a medida que las micropartículas se movían entre los peldaños, se autoensamblaban y formaban grumos, cada uno unido a uno de los peldaños. Eventualmente, en un esfuerzo concertado, las partículas compuestas se impulsarían unas a otras hacia adelante. Mientras que otros grupos han sugerido que esto podría suceder en 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 entrega de micropartículas a la realidad, los investigadores prevén reemplazar el níquel tóxico con otros materiales, como el óxido de hierro, que ya está aprobado por la FDA para uso interno. También están abiertos a cómo se podrían usar los microtúbulos. Dirigirse a los medicamentos y eliminar la placa en los vasos sanguíneos son aplicaciones obvias, pero Mathijssen también prevé los beneficios de una fibra bidimensional. Envuelto alrededor del equipo médico. Tal dispositivo podría administrar agentes antimicrobianos para prevenir el crecimiento de biopelículas bacterianas peligrosas.
«Creemos que estas ‘microcarreteras para microrobots’ pueden proporcionar una solución alternativa a los microrobots que flotan libremente y otras tecnologías actuales», dice, «y acercar mucho más a la realidad el microtransporte biomédico robusto».
