Nuevo método de imágenes hace que pequeños robots sean visibles en el cuerpo

Nuevo método de imágenes hace que pequeños robots sean visibles en el cuerpo

  • Robotica
  • mayo 20, 2022
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Por Florián Meyer

¿Cómo se puede eliminar un coágulo de sangre del cerebro sin una cirugía mayor? ¿Cómo se puede administrar un fármaco con precisión a un órgano enfermo de difícil acceso? Estos son solo dos ejemplos de las innumerables innovaciones que los investigadores están imaginando en el campo de la microrobótica médica. Los pequeños robots prometen cambiar fundamentalmente los tratamientos médicos futuros: algún día podrían moverse a través del sistema vascular de los pacientes para eliminar tumores malignos, combatir infecciones o proporcionar información de diagnóstico precisa, todo sin intervención. Básicamente, argumentan los investigadores, el sistema circulatorio podría ser una ruta de transporte ideal para los microrobots, ya que llega a todos los órganos y tejidos del cuerpo.

Para que estos microrobots puedan llevar a cabo las intervenciones médicas previstas de forma segura y fiable, no deben ser más grandes que una célula biológica. En los humanos, una célula tiene un diámetro promedio de 25 micrómetros: un micrómetro es una millonésima parte de un metro. Los vasos sanguíneos más pequeños de los humanos, los capilares, son aún más delgados: su diámetro promedio es de solo 8 micrómetros. Los microrobots deben ser correspondientemente pequeños para que puedan atravesar los vasos sanguíneos más pequeños sin obstáculos. Sin embargo, este pequeño tamaño también los hace invisibles a simple vista, y la ciencia aún no ha encontrado una solución técnica para reconocer y rastrear individualmente a los robots del tamaño de un micrómetro mientras orbitan en el cuerpo.

Seguimiento de microrobots circulantes por primera vez

«Antes de que este escenario futuro se convierta en realidad y los microrobots se utilicen realmente en humanos, la visualización y el seguimiento precisos de estas pequeñas máquinas son imprescindibles», dice Paul Wrede, estudiante de doctorado en el Centro Max Planck ETH para Sistemas de Aprendizaje (CLS). . «Sin imágenes, la microrrobótica es esencialmente ciega», agrega Daniel Razansky, profesor de imágenes biomédicas en ETH Zurich y la Universidad de Zurich y miembro de CLS. «Por lo tanto, las imágenes de alta resolución en tiempo real son esenciales para detectar y controlar microrobots del tamaño de una célula en un organismo vivo». como se pretende tener. «La falta de capacidad para proporcionar retroalimentación en tiempo real de los microrobots fue, por lo tanto, un obstáculo importante en el camino hacia la aplicación clínica».

«Sin imágenes, la microrobótica es esencialmente ciega».

Daniel Razański

Junto con Metin Sitti, un experto en microrrobótica líder en el mundo que también es miembro de CLS como Director del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-​IS) y Profesor ETH de Inteligencia Física, y otros investigadores, el equipo ahora ha logrado un gran avance en la fusión eficiente de microrrobótica e imágenes. En un estudio recién publicado en la revista Science Advances, lograron por primera vez identificar y rastrear claramente pequeños robots que miden solo cinco micrómetros en tiempo real en los vasos cerebrales de ratones utilizando una técnica de imagen no invasiva.

Los investigadores utilizaron microrobots con un tamaño que oscilaba entre los 5 y los 20 micrómetros. Los robots más pequeños tienen aproximadamente el tamaño de los glóbulos rojos, que tienen entre 7 y 8 micrones de diámetro. Este tamaño permite que los microrobots inyectados por vía intravenosa viajen incluso a través de los microcapilares más delgados del cerebro del ratón.

Un gran avance: se visualizaron individualmente pequeños microrobots circulantes, del tamaño de los glóbulos rojos (imagen de la izquierda), en los vasos sanguíneos de los ratones utilizando imágenes optoacústicas (imagen de la derecha). Imagen: ETH Zurich / Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes

Los investigadores también desarrollaron una tecnología de tomografía optoacústica especial para detectar los diminutos robots individualmente, en alta resolución y en tiempo real. Esta técnica de imagen única hace posible ver los diminutos robots en regiones profundas y difíciles de alcanzar del cuerpo y el cerebro, lo que no habría sido posible con microscopía óptica u otras técnicas de imagen. El proceso se llama optoacústico porque la luz primero es emitida y luego absorbida por el tejido respectivo. La absorción luego crea pequeñas ondas de ultrasonido que pueden detectarse y analizarse para obtener imágenes volumétricas de alta resolución.

Robots con cara de Jano bañados en oro

Para que los microrobots fueran claramente visibles en las imágenes, los investigadores necesitaban un medio de contraste adecuado. Para su estudio, por lo tanto, utilizaron microrobots esféricos basados ​​en partículas de sílice con el llamado recubrimiento tipo Janus. Este tipo de robot tiene un diseño muy robusto y es ideal para tareas médicas complejas. Lleva el nombre del dios romano Jano, que tenía dos caras. En el caso de los robots, las dos mitades de la esfera están recubiertas de forma diferente. En el estudio actual, los investigadores recubrieron la mitad del robot con níquel y la otra mitad con oro.

Los microrobots esféricos consisten en partículas a base de sílice y se recubrieron la mitad con níquel (Ni) y la otra mitad con oro (Au) y se cargaron con nanoburbujas de color verde (liposomas). De esta manera, pueden detectarse individualmente utilizando el nuevo método de imagen optoacústica. Imagen: ETH Zúrich / MPI-IS

«El oro es un medio de contraste muy bueno para las imágenes optoacústicas. Sin la capa de oro, la señal generada por los microrobots es demasiado débil para ser detectada», explica Razansky. Además del oro, los investigadores también probaron el uso de pequeños burbujas, los llamados nanoliposomas, que contenían un tinte verde fluorescente que también servía como agente de contraste. «Los liposomas también tienen la ventaja de que pueden cargarse con fármacos potentes, lo cual es importante para futuros enfoques dirigidos a fármacos», dice Wrede, el primer autor del estudio. Los posibles usos de los liposomas se examinarán en un estudio de seguimiento.

Además, el oro también permite minimizar el efecto citotóxico del recubrimiento de níquel; después de todo, si los microrobots van a operar en animales vivos o humanos en el futuro, deben ser biocompatibles y no tóxicos, lo cual es parte de la investigación en curso. En el presente estudio, los investigadores utilizaron níquel como medio de propulsión magnética y un imán permanente simple para tirar de los robots. En estudios de seguimiento, quieren probar imágenes optoacústicas con manipulaciones más complejas con campos magnéticos giratorios.

«Esto nos permitiría controlar y mover con precisión los microrobots incluso en sangre que fluye mucho», dice Metin Sitti. “En el presente estudio, nos enfocamos en la visualización de los microrobots. El proyecto tuvo un enorme éxito, gracias al excelente entorno de colaboración en CLS, que hizo posible combinar la experiencia de los dos grupos de investigación de MPI-​IS en Stuttgart para la parte robótica y ETH Zurich para la parte de imágenes”, concluye Sitti. .

Etiquetas: medicina c-health, Micro


ETH Zurich es una de las principales universidades técnicas y científicas internacionales.

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