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4 formas en que los nanobots te harán más saludable

4 formas en que los nanobots te harán más saludable

El presente y futuro de nanorobots: entrega de medicamentos dirigida, cirugía de precisión, detección y desintoxicación.

Para la mayoría de las personas, la frase “robot médico” probablemente les recuerda el revolucionario sistema quirúrgico da Vinci que ha revolucionado la cirugía mínimamente invasiva. O eso o el droide 2-1B de Star Wars: the Empire Strikes Back si eres un nerd de la ciencia ficción.

Pero algunos de los avances más interesantes en robótica médica se están produciendo a micro y nanoescala. Un estudio en la revista Science Robotics destaca que los materiales y la ciencia biomédica han comenzado a unirse para crear una nueva generación de robots en miniatura capaces de administrar medicamentos, realizar cirugías de precisión y mejorar drásticamente los diagnósticos.

“El diseño de robots miniaturizados y versátiles de unos pocos micrómetros o menos permitiría el acceso a todo el cuerpo humano, lo que conduciría a nuevos procedimientos hasta el nivel celular y ofrecería un diagnóstico y tratamiento localizado con mayor precisión y eficiencia”, escriben los autores.

Sin embargo, diseñar dispositivos a esta escala tiene algunos desafíos importantes: en primer lugar, el movimiento. Las máquinas a micro y nanoescala operan en entornos de bajo número de Reynolds, lo que esencialmente significa que la inercia casi no juega ningún papel. A esta escala, también están sujetos al movimiento browniano, el bombardeo constante de los átomos o moléculas que componen el gas o líquido en el que se encuentran y hace que se muevan de forma errática.

Esto significa que las estrategias tradicionales de natación y navegación que se utilizarían en robots a macroescala a menudo no funcionan, por lo que deben idearse enfoques novedosos, a menudo inspirados en los microorganismos que comparten este entorno. Al mismo tiempo, los enfoques convencionales para alimentar dispositivos como las baterías no pueden reducirse a este nivel, por lo que los investigadores tienen que confiar en motores de propulsión química que utilizan combustibles que se encuentran en el medio ambiente o fuentes de energía externas como campos magnéticos o ultrasonidos.

Pero a pesar de las onerosas limitaciones, los autores destacan que los científicos han logrado demostrar una gran cantidad de robots en miniatura que pueden navegar a través de entornos biológicos complejos para extraer muestras de biopsias, administrar medicamentos y diagnosticar enfermedades. Aquí hay cuatro áreas en las que estos pequeños dispositivos están demostrando ser enfoques prometedores para los problemas médicos.

Entrega de medicamentos dirigida

Los nanotecnólogos que trabajan en la administración de medicamentos no son nada nuevo, pero la mayoría de las soluciones existentes se basan en el sistema circulatorio natural del cuerpo para llevar el medicamento a donde necesita. Sin embargo, al usar robots en miniatura, es posible llevar los medicamentos a su destino de manera más rápida y precisa, lo que puede hacerlos más efectivos y también reducir los efectos secundarios de los medicamentos poderosos.

Una estrategia popular para impulsar estos vehículos son los nanomotores químicos, partículas diminutas cuya composición hace que descompongan un combustible químico para crear burbujas que las impulsan hacia adelante. Frecuentemente, el combustible debe agregarse junto con el nanomotor, y la revisión señala que la mayoría de estos estudios se han realizado en el tubo de ensayo y no en organismos vivos.

Pero recientemente, los experimentos in vitro han comenzado a volverse más comunes, con resultados prometedores que incluyen motores sintéticos impulsados ​​por fluidos biológicos como el ácido gástrico o el agua. Muchas de estas soluciones también se degradan a sustancias no tóxicas, eliminando el problema de tener que recuperarlas después de que hayan cumplido su propósito.

También se han realizado demostraciones in vitro de dispositivos de administración alimentados con fuentes externas como campos magnéticos o ultrasonidos. En un estudio particularmente impresionante, los investigadores seleccionaron bacterias que nadan naturalmente a lo largo de las líneas del campo magnético y hacia concentraciones bajas de oxígeno para actuar como robots. Colocaron a las bacterias gotitas que contenían fármacos y utilizaron campos magnéticos para guiarlas a las regiones de tumores sin oxígeno que suelen ser muy resistentes a las terapias.

Cirugía de precisión

Si bien se ha logrado un gran progreso para reducir la invasividad de la cirugía, los nanorobots prometen operaciones cuya única herida superficial es el orificio de punción de una inyección. También podrán operar en lugares de difícil acceso y realizar procedimientos a una escala tan baja como el nivel celular.

Una clase prometedora de robots en miniatura son los «micro pinzas», que pueden capturar y recuperar tejidos y células. Las versiones atadas de estas herramientas controladas por señales mecánicas o eléctricas han existido por un tiempo, pero todavía son comparativamente grandes. Ahora, los avances en la ciencia de los materiales han abierto la posibilidad de una versión sin ataduras. Estos dispositivos dependen de la capacidad de plegado automático para cerrarse alrededor del tejido objetivo y pueden activarse por una variedad de señales ambientales como la temperatura o el pH.

Los microrobots controlados magnéticamente también son muy prometedores para los procedimientos quirúrgicos debido a la capacidad de los campos magnéticos para penetrar en el tejido grueso. Los investigadores demostraron la capacidad de realizar una cirugía dentro del ojo de un conejo vivo utilizando un dispositivo de este tipo.

El ultrasonido también se puede utilizar para activar las llamadas «microbalas» que alcanzan velocidades de seis metros por segundo al vaporizar combustible biocompatible, lo que les permite penetrar profundamente en el tejido enfermo. Finalmente, los “nanodrillers” pueden usar combustibles químicos para impulsar un movimiento de sacacorchos que les permite perforar e incrustarse en los tejidos.

Detección y desintoxicación

Ponga un nanomotor en presencia del combustible correcto y seguirá moviéndose. Este movimiento continuo los hace particularmente útiles para acelerar tanto la detección de compuestos específicos en una solución como la eliminación de toxinas del ambiente.

Si se conecta un bio-receptor a un nanomotor en constante movimiento, e impacta con su molécula objetivo mucho más rápido que si simplemente estuviera flotando libremente, esencialmente se crea una solución de automezcla. Estos dispositivos pueden incluso ser lo suficientemente potentes para detectar y transportar células objetivo, mientras que otros son lo suficientemente pequeños para operar dentro de las células.

De manera similar, los nanorobots autopropulsados ​​pueden apuntar rápidamente y eliminar toxinas en entornos biológicos. Se ha demostrado que los glóbulos rojos son excelentes nanoesponjas absorbentes de toxinas, por lo que varios enfoques han combinado glóbulos rojos con nanomotores para crear robots capaces de absorber y neutralizar sustancias nocivas.

Futuros retos

A pesar del progreso en el campo, la revisión destaca una serie de desafíos que deben abordarse. El primero y más importante es el hecho de que muchos de los nanomotores que se están investigando dependen del peróxido de hidrógeno como combustible, que no es biocompatible.

Si bien la alimentación de nanorobots se da utilizando campos magnéticos y de ultrasonido factibles para procedimientos quirúrgicos, muchas aplicaciones prometedoras requieren que los dispositivos puedan actuar de forma autónoma, sin intervención humana. Los trabajos recientes sobre nanomotores que usan enzimas para alimentarse con sustancias químicas que se encuentran en los fluidos corporales como la glucosa o la urea son prometedores, pero aún requieren un trabajo considerable.

Los entornos biológicos son lugares impredecibles con condiciones en constante cambio, por lo que el campo necesita una innovación considerable en materiales para crear robots multifuncionales y tolerantes a fallas que no funcionen mal fuera de las zonas de confort estrechas. El acoplamiento de nanodispositivos sintéticos con materiales biológicos es un enfoque prometedor para evitar cosas como las respuestas inmunitarias.

Escalar la producción de estos dispositivos hasta los números necesarios para fines terapéuticos a un costo razonable es otro desafío que debe superarse, siendo la nanoimpresión 3D una vía prometedora.

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