Como uma brigada de baldes microscópicos, um microtúbulo artificial pode transportar rapidamente partículas minúsculas ao longo de trampolins magnéticos, entregando-as a um local preciso mesmo quando operando contra uma corrente forte.
A tecnologia, desenvolvida por uma equipe da Universidade da Pensilvânia e ETH Zürich, pode um dia facilitar a entrega de terapias direcionadas através da corrente sanguínea para tratar vasos bloqueados ou tumores cancerígenos.

As descobertas são publicadas na revista Nature Machine Intelligence .

Os pesquisadores exploraram o potencial dos microrrobôs de “nadar” na corrente sanguínea como forma de direcionar as drogas para o local exato onde são necessárias. A desvantagem dessa abordagem é que os microrrobôs que nadam livremente lutam para avançar contra os complexos fluxos de fluidos que existem dentro do corpo humano.

“Como resultado, muitas vezes você vê a dispersão das partículas que gostaria de entregar”, diz Arnold Mathijssen, autor correspondente do trabalho e professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da Penn. “Na verdade, o que você gostaria de conseguir é ter a maior concentração do terapêutico em um local e não dispersá-lo em outro lugar, pois isso pode resultar em toxicidade”.

Cateteres e microagulhas têm sido até agora as técnicas de escolha para completar essas intervenções direcionadas. No entanto, os cateteres só podem ser miniaturizados até que não tenham a força de bombeamento necessária para transportar carga microscópica. Da mesma forma, mesmo as microagulhas ainda são grandes demais para atingir os vasos sanguíneos mais estreitos.

Para superar esses obstáculos, Mathijssen e colegas buscaram inspiração na biologia.

"Quando você olha para a natureza, dentro das células há uma bela solução", diz Mathijssen. "Os microtúbulos, que fazem parte do citoesqueleto, usam motores moleculares para transportar vesículas para diferentes locais da célula. Esses motores encontram uma maneira de lidar com as flutuações de fluxo que vemos nos vasos sanguíneos e em outras partes do corpo. tentar sintetizar algo semelhante em um ambiente de nanotecnologia para ver se podemos usá-lo como um mecanismo de entrega eficiente."

Seu design bio-inspirado era um microtúbulo artificial, fabricado primeiro na Suíça e depois no Singh Center for Nanotechnology da Penn. Essas fibras finas, compostas por polímeros reticulados para dar elasticidade, foram embutidas com placas magnéticas feitas de níquel, intercaladas a distâncias definidas como trampolins. Com apenas 80 mícrons de largura, os microtúbulos seriam estreitos o suficiente para deslizar através de vasos sanguíneos estreitos.

A aplicação de um campo magnético rotativo em torno dos microtúbulos artificiais transforma os degraus de níquel em ímãs, ao longo dos quais uma carga de microrrobôs de metal "caminha", um para o outro.

"Colocamos os microtúbulos em um campo magnético rotativo, assim como uma máquina de ressonância magnética", diz Mathijssen. "Se você girar o campo lentamente, as partículas se movem lentamente e, quando você gira mais rápido, as partículas também aceleram."

Havia um "ponto ideal" na força do campo magnético, descobriram os cientistas; girar muito rápido fez com que as partículas escorregassem na superfície e se dispersassem para longe do microtúbulo.

Em experimentos testando o desempenho do mecanismo de transporte em redes semelhantes a vasos sanguíneos, a equipe de pesquisa descobriu que as micropartículas podem viajar ao longo da fibra de microtúbulos mesmo quando submetidas a fortes fluxos de fluidos, ajustados para replicar o dinamismo do fluxo sanguíneo. Em comparação com as tecnologias existentes, a entrega de microcargas ocorreu rapidamente, uma ordem de magnitude mais rápida. E ajustes finos no campo magnético garantiram que a carga pudesse ser entregue com precisão no local pretendido, mesmo em redes complexas de embarcações.

Essa nova inovação não apenas se baseia na natureza, mas Mathijssen observa que, por sua vez, pode fornecer insights sobre como os sistemas biológicos operam. Ele e seus colegas observaram que, quando as micropartículas se moviam entre os degraus, elas se automontavam, formando aglomerados, cada um amarrado a um dos degraus. Eventualmente, as partículas reunidas empurrariam umas às outras em um esforço coletivo. Enquanto alguns outros grupos sugeriram que isso pode ocorrer dentro das células para aumentar o transporte do citoesqueleto, este trabalho fornece a primeira evidência experimental do princípio de propulsão.

"Às vezes você constrói algo no laboratório e isso pode lhe dizer algo novo sobre biologia", diz ele.

Para aplicar essa estratégia de transporte de micropartículas na palavra real, os pesquisadores estão pensando em trocar o níquel, que é tóxico, por outros materiais, como o óxido de ferro, que já é aprovado pela FDA para uso interno. Eles também estão mantendo a mente aberta sobre as maneiras pelas quais os microtúbulos podem ser usados. A administração direcionada de medicamentos e a remoção de placas de vasos sanguíneos são aplicações óbvias, mas Mathijssen também está imaginando os benefícios de uma fibra bidimensional. Envolto em dispositivos médicos. Tal dispositivo poderia fornecer antimicrobianos para prevenir o crescimento de biofilmes bacterianos perigosos.

"Acreditamos que essas 'microestradas para microrrobôs' podem fornecer uma solução alternativa para microrrobôs que nadam livremente e outras tecnologias atuais", diz ele, "trazendo o microtransporte biomédico robusto muito mais próximo da realidade". + Explorar mais

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