p Micro ou mesmo nano-robôs podem algum dia realizar tarefas médicas no corpo humano. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart já deram o primeiro passo em direção a esse objetivo. Eles conseguiram construir corpos nadadores que atendem simultaneamente a dois requisitos:são pequenos o suficiente para serem usados ​​em fluidos corporais ou mesmo em células individuais, e eles são capazes de navegar através de fluidos biológicos complexos. p No filme Fantastic Voyage de 1966, um submarino completo com tripulação é reduzido em tamanho para que possa navegar pelo corpo humano, permitindo que a tripulação faça uma cirurgia no cérebro. Este cenário permanece no reino da ficção científica, e transportar uma equipe cirúrgica para o local da doença certamente permanecerá uma ficção. No entanto, minúsculos submarinos que podem navegar pelo corpo podem ser de grande benefício:eles podem entregar drogas precisamente para um local de destino, um ponto na retina, por exemplo. E poderiam possibilitar a realização de terapia gênica em uma célula específica.

p Se as coisas correrem de acordo com Peer Fischer, líder da Micro, Grupo de Pesquisa de Sistemas Nano e Moleculares no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, então, em um futuro previsível, os médicos recorrerão a micro ou mesmo nanorrobôs para realizar tais tarefas. Os pequenos ajudantes iriam acertar com precisão os alvos no corpo, eliminando a necessidade de mais cirurgias importantes, ou tornando alguns procedimentos minimamente invasivos.

p Uma vieira microscópica não conseguia nadar na água

p Contudo, existem dois desafios fundamentais para atingir esses objetivos. Obviamente, tais veículos devem ser pequenos o suficiente para serem injetados no globo ocular, por exemplo, com uma seringa. Em segundo lugar, uma vez introduzido no corpo, eles devem ser capazes de se mover através dos fluidos e tecidos corporais. Em ambas as frentes, o grupo de pesquisa liderado por Peer Fischer fez agora um progresso significativo.

p Junto com pesquisadores do Technion em Israel e da Universidade Técnica de Dortmund, o grupo baseado em Stuttgart descreve em um artigo recente uma espécie de vieira artificial com apenas algumas centenas de micrômetros de diâmetro. Eles o projetaram para que o dispositivo viaje em líquidos simplesmente abrindo e fechando suas conchas. Isso não é tão óbvio quanto parece. "A casca é apenas algumas vezes maior do que a espessura de um cabelo humano, "diz Fischer." Um líquido como a água é tão viscoso para esses dispositivos quanto mel ou até mesmo alcatrão é para nós. "E com tanto atrito nos fluidos, movimentos simétricos, como a abertura e fechamento recíproco de uma concha de vieira, não resultaria em nenhuma propulsão para a frente. Os movimentos de vaivém causados ​​pelos movimentos opostos simplesmente cancelariam uns aos outros.

p Por esta razão, a micro-vieira, de fato, não se moveria do local. Contudo, porque os pesquisadores, a longo prazo, focalizaram o uso do dispositivo em meios biológicos, eles testaram seu nadador diretamente em fluidos de modelo apropriados. Estes possuem características que os distinguem da água. "A maioria dos fluidos corporais tem a propriedade de que sua viscosidade muda dependendo da velocidade do movimento, "diz Fischer." No líquido sinovial encontrado nas articulações, por exemplo, As moléculas de ácido hialurônico se organizam em estruturas semelhantes a redes que resultam em alta viscosidade. Mas assim que algo se move através deste fluido, a malha molecular se quebra e o fluido fica menos viscoso ”.

p O controle magnético é usado para abrir e fechar a vieira

p Os cientistas aproveitaram exatamente essa propriedade do fluido. Eles controlam a vieira para que ela abra muito mais rápido do que fecha. "Este padrão de movimento temporalmente assimétrico faz com que o fluido seja menos viscoso durante a abertura do que durante o curso de fechamento subsequente, "diz o estudante de doutorado Tian Qiu, um membro da equipe em Stuttgart. Assim, a distância que a vieira percorre ao abrir não é a mesma que a distância que ela se move para trás ao fechar, e isso causa propulsão direta. Isso marca a primeira vez que um dispositivo artificial deste tamanho foi capaz de se mover através de fluidos por meio de ciclos de movimento simétricos, disse Tian Qiu.

p Para controlar seus micro-nadadores, os pesquisadores integraram minúsculos ímãs de terras raras nas duas conchas de vieira. Isso permite que eles controlem como as conchas de vieira abrem e fecham - e, finalmente, como o dispositivo se move - aplicando um campo magnético externo. Contudo, a descoberta dos pesquisadores de que microdispositivos podem nadar através de alguns líquidos com movimentos simétricos não se aplica apenas a microrrobôs movidos magneticamente. De fato, um submarino em miniatura em forma de vieira também pode ser acionado por um atuador que responde, por exemplo, às mudanças de temperatura.

p A micro-vieira real era feita de um plástico relativamente duro. O desafio era tornar as cascas extremamente finas, mas ao mesmo tempo suficientemente resistentes para que permaneçam rígidos em um meio viscoso.

p Os cientistas, que publicaram seu trabalho em Nature Communications , querem colocar seus micro-nadadores à prova em fluidos biológicos específicos. "Estamos interessados ​​na próxima etapa, por exemplo, se também podemos guiar este robô através da matriz extracelular de um tecido, " says Peer Fischer.

p A nano-screw acts as a propeller

p This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Contudo, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Agora, pela primeira vez, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

p To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

p As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Por esta razão, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

p Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, por exemplo, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Teoricamente, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

p So, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.