Em breve, os cirurgiões estarão implantando exércitos de minúsculos robôs para realizar microcirurgias em todo o corpo. Embora isso possa parecer ficção científica , uma equipe de pesquisa da Universidade Drexel desenvolveu uma tecnologia micro-robótica que está sendo considerada para uma missão importante - perfurar artérias entupidas.
As placas atriais formam quando gordura, colesterol, cálcio e outras substâncias são depositadas nas paredes internas das artérias, que transportam sangue por todo o corpo. Com o tempo, essas artérias endurecem e se estreitam. Este processo chamado aterosclerose limita a capacidade do sangue rico em oxigênio para atingir órgãos vitais e aumenta o risco de ataque cardíaco ou derrame. Embora a causa da aterosclerose seja desconhecida, uma combinação de hábitos (como nível de atividade, tabagismo e dieta), fatores de risco genéticos e idade contribuem para o seu desenvolvimento. Duas abordagens cirúrgicas convencionais para artérias bloqueadas são angioplastia e cirurgia de bypass. Durante uma angioplastia, um cirurgião vascular inflar um pequeno balão dentro do vaso sanguíneo e insere um tubo de malha de metal chamado stent para manter as artérias abertas e melhorar o fluxo sanguíneo. Por outro lado, uma cirurgia de bypass envolve o redirecionamento do fluxo sangüíneo usando veias ou artérias não bloqueadas para contornar a artéria estreitada.
Essa nova inovação na nanomedicina, no entanto, assume a forma de pequenas microesferas que se unem para formar uma estrutura semelhante a um saca-rolhas, capaz de navegar pelas águas traiçoeiras do sistema vascular do corpo. Os micro-nadadores são feitos de minúsculos grânulos de óxido de ferro de até 200 nanômetros, unidos em uma corrente. Essas contas são “compostas de materiais inorgânicos e biocompatíveis que não provocam uma resposta imunológica”, diz MinJun Kim, professor da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel.
Para induzir o movimento através da corrente sanguínea, a corrente é exposta a um campo magnético externo finamente calibrado. A rotação desse campo faz com que a cadeia forme uma estrutura helicoidal giratória que se impulsiona pela corrente sanguínea. As propriedades deste campo magnético também ajudam a controlar a velocidade, a direção e o tamanho da corrente do micro-nadador (afetando a força com a qual ele se move) com base na natureza da oclusão arterial.
"O uso de micro-robôs na medicina é realmente um campo novo, que requer uma sólida formação em pesquisa multidisciplinar", diz Kim.
O design exclusivo do micro-nadador foi inspirado pela própria natureza - um microorganismo chamado Borrelia burgdorferi . (Universidade Drexel) O design exclusivo do micro-nadador foi inspirado pela própria natureza - um microorganismo chamado Borrelia burgdorferi . A estrutura em espiral dessa bactéria, responsável por causar a doença de Lyme, permite que ela se infiltre facilmente nos fluidos corporais e cause danos generalizados.
A fim de remover as placas arteriais, os cientistas usarão um cateter para fornecer os micro-nadadores e uma minúscula broca vascular para limpar a artéria ocluída. Após a implantação, os micro-nadadores lançarão o ataque inicial soltando a placa endurecida, que por sua vez será finalizada pela broca cirúrgica. Após a cirurgia, as esferas biodegradáveis são projetadas para liberar drogas anticoagulantes na corrente sanguínea para ajudar a impedir o acúmulo futuro de placa bacteriana.
"Os tratamentos atuais para a oclusão total crônica são apenas cerca de 60 por cento de sucesso", disse Kim em um comunicado de imprensa . "Acreditamos que o método que estamos desenvolvendo pode atingir 80% a 90% de sucesso e, possivelmente, reduzir o tempo de recuperação".
Para os micro nadadores, os pesquisadores usaram estruturas assimétricas de três pequenas contas de óxido de ferro. (Universidade Drexel) A equipe de pesquisa teve que superar vários desafios para desenvolver robôs funcionais em escala microscópica. "O mundo microscópico é completamente diferente do mundo macroscópico em que todos vivemos", diz Kim. “Usamos a inércia para nos movimentar no mundo macroscópico, mas no nível microscópico a inércia não é útil para o movimento.” Como resultado, os cientistas tiveram que usar estruturas assimétricas (ou quirais) para os micro-nadadores. “Podemos criar micro nadadores com um único grânulo e dois grânulos, mas quando aplicamos o campo magnético eles não podem se mover porque suas estruturas são simétricas. Então, para criar uma estrutura não simétrica, precisamos usar pelo menos três contas ”, diz Kim.
Outro obstáculo enfrentado pelos pesquisadores foram as complexas propriedades fluidas do sangue. Ao contrário da água, o sangue é referido como um fluido não newtoniano, o que significa que sua viscosidade (ou resistência ao fluxo) do fluido não é diretamente proporcional à velocidade com a qual ele flui. Como resultado, os algoritmos para o controle dos micro-nadadores que Kim e sua equipe desenvolveram basearam-se na dinâmica de fluidos não lineares e foram muito mais elaborados. “Esse controle não linear dificulta muito mais a manipulação de robôs na microescala”, diz Kim.
Os cientistas da Drexel se juntaram ao Instituto de Ciência e Tecnologia Daegu Gyeongbuk para expandir essa tecnologia para o uso diário por equipes cirúrgicas cardiovasculares. Até agora, os micro-nadadores só foram testados em vasos sanguíneos artificiais. O esforço de pesquisa internacional, um projeto de US $ 18 milhões financiado pelo Instituto de Avaliação de Tecnologia Industrial da Coréia, recrutou os melhores engenheiros de 11 outras instituições nos Estados Unidos, na Coréia e na Suíça. Eles esperam ter a tecnologia em testes clínicos em humanos dentro de quatro anos.
Além do uso dos micro-nadadores como dispositivos de encanamento para as artérias, os pesquisadores têm investigado outras aplicações biomédicas em potencial, como terapias medicamentosas mais direcionadas e tecnologia de imagem de maior resolução. "Por exemplo, as contas poderiam ser usadas para penetrar diretamente em células tumorais de difícil acesso, onde a droga será liberada no alvo, maximizando assim a eficiência do medicamento", diz Kim.
O interesse de Kim no campo da nanotecnologia foi provocado pelo filme Fantastico Voyage, de 1966, e pelo remake dirigido por Steven Spielberg, Innerspace . Ambos os filmes envolvem a miniaturização de um submarino pilotado por humanos que é subseqüentemente injetado no corpo humano em uma missão que salva vidas.
"Eu assisti Innerspace quando eu estava no colégio em 1987. O filme contém vários conceitos de micro-robótica e nanomedicina que serviram de inspiração para mim e outros pesquisadores neste campo", diz Kim. "Estou animado para fazer parte de um projeto que está envolvido em trazer esta ficção científica em realidade."
