Em uma brilhante noite de outono em 2006, o Dr. Sylvain Martel prendeu a respiração quando um técnico carregou um porco anestésico em uma máquina rotativa de fMRI. Seus olhos fitaram uma tela de computador que mostrava uma conta magnética pendurada em um fino vaso sanguíneo de porco. A tensão na sala podia ser sentida fisicamente. De repente, o balão ganhou vida e deslizou sobre a embarcação como um submarino microscópico rumo ao seu destino. A equipe explodiu em aplausos.
Martel e sua equipe estavam testando uma nova maneira de controlar remotamente pequenos objetos dentro de um animal vivo, manipulando as forças magnéticas da máquina. E pela primeira vez funcionou.
Cientistas e escritores há muito sonham com pequenos robôs que se movem pelo vasto sistema circulatório do corpo como exploradores espaciais estudando galáxias e seus habitantes. O potencial é enorme: minúsculos robôs médicos poderiam, por exemplo, transferir drogas radioativas para aglomerados de câncer, realizar cirurgias dentro do corpo ou limpar coágulos sanguíneos nas profundezas do coração ou cérebro.
Um sonho, um sonho, mas com a ajuda de robôs, diz o Dr. Bradley Nelson, da Universidade Politécnica de Zurique, as pessoas poderiam mergulhar diretamente na corrente sanguínea para realizar uma cirurgia no cérebro.
No momento, os micro-robôs médicos são em sua maioria fictícios, mas isso pode mudar na próxima década. Esta semana, a Dra. Mariana Medina-Sánchez e Oliver Schmidt do Instituto Leibniz para Pesquisa de Sólidos e Materiais em Dresden, Alemanha, publicou um artigo na Nature que mudou de telas grandes para laboratórios de nanoengenharia, delineando prioridades e testes realistas para reviver esses pequenos cirurgiões.
Criação de motores
Micro-robôs médicos fazem parte da jornada da medicina rumo à miniaturização. Em 2001, a empresa israelense lançou a PillCam, uma cápsula de plástico do tamanho de um doce equipada com uma câmera, bateria e módulo sem fio. Enquanto viaja pelo canal alimentar, a PillCam envia periodicamente imagens sem fio, oferecendo um método de diagnóstico mais sensível e menos tóxico do que a endoscopia ou radiografia tradicional.
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A PillCam é gigantesca em tamanho para um microrrobô perfeito, tornando-a adequada apenas para o tubo relativamente largo de nosso sistema digestivo. Essa pílula também era passiva e não poderia permanecer em lugares interessantes para um exame mais detalhado.
“Um verdadeiro robô médico tem que se mover e progredir através de uma rede complexa de túbulos cheios de fluido em tecidos nas profundezas do corpo”, explica Martel.
O corpo, infelizmente, não é muito acolhedor para os convidados externos. Os micro-robôs devem suportar sucos gástricos corrosivos e flutuar rio acima na corrente sanguínea sem um motor.
Laboratórios de todo o mundo estão tentando encontrar alternativas sensatas para resolver o problema nutricional. Uma ideia é criar foguetes químicos: micro-robôs cilíndricos com "combustível" - um metal ou outro catalisador - que reage com os sucos estomacais ou outros fluidos, emitindo bolhas na parte de trás do cilindro.
“Esses motores são difíceis de controlar”, dizem Medina-Sanchez e Schmidt. Podemos controlar aproximadamente sua direção usando gradientes químicos, mas eles não são robustos ou eficazes o suficiente. O projeto de combustíveis não tóxicos com base em açúcar, ureia ou outros fluidos corporais também enfrenta desafios.
Uma alternativa melhor seriam os motores físicos metálicos que poderiam ser ativados por mudanças no campo magnético. Martel, como mostrado em sua demonstração de contas no porco, foi um dos primeiros a investigar esses motores.
A máquina de ressonância magnética é ideal para controlar e criar imagens de protótipos de metal de microrrobôs, explica Martel. A máquina possui vários conjuntos de bobinas magnéticas: o conjunto principal magnetiza o microrrobô após ele ser inserido na corrente sanguínea por meio de um cateter. Então, ao manipular as bobinas de gradiente de MRI, podemos gerar campos magnéticos fracos para empurrar o microrrobô através dos vasos sanguíneos ou outros tubos biológicos.
Em experimentos subsequentes, Martel fez nanopartículas de ferro e cobalto revestidas com uma droga anticâncer e injetou esses minúsculos soldados em coelhos. Usando um programa de computador para alterar automaticamente o campo magnético, sua equipe guiou os robôs diretamente no alvo. Embora não tenha havido tumores reais neste estudo em particular, Martel diz que projetos como esses podem ser úteis no combate ao câncer de fígado e outros tumores com vasos relativamente grandes.
Por que não pequenos navios? O problema é novamente energia. Martel foi capaz de reduzir o robô a algumas centenas de micrômetros - qualquer coisa menos requer gradientes magnéticos tão grandes que interrompem os neurônios no cérebro.
Microcyborgs
Uma solução mais elegante é usar motores biológicos já existentes na natureza. As bactérias e os espermatozoides são armados com caudas em chicote que os impulsionam naturalmente através de túneis sinuosos e cavidades corporais para realizar reações biológicas.
Ao combinar peças mecânicas com peças biológicas, pode-se fazer com que esses dois componentes se complementem quando um deles falha.
Um exemplo é um bot de esperma. Schmidt desenvolveu minúsculas bobinas de metal que envolvem o espermatozóide preguiçoso, dando-lhe mobilidade para chegar ao óvulo. A célula espermática também pode ser carregada com drogas associadas à microestrutura magnética para tratar o câncer no trato reprodutivo.
Existem também grupos especializados de bactérias MC-1 que se alinham com o campo magnético da Terra. Ao gerar um campo relativamente fraco - o suficiente para superar o da Terra - os cientistas podem orientar a bússola interna da bactéria para um novo alvo como o câncer.
Infelizmente, a bactéria MC-1 só pode sobreviver no sangue quente por 40 minutos, e a maioria não é forte o suficiente para nadar contra a corrente sanguínea. Martel quer criar um sistema híbrido de bactérias e bexigas gordas. Bolhas carregadas com partículas magnéticas e bactérias serão direcionadas para vasos maiores usando campos magnéticos fortes até entrarem nos mais estreitos. Em seguida, eles explodem e liberam um enxame de bactérias, que da mesma forma, usando campos magnéticos fracos, completará sua jornada.
Seguindo em frente
Embora os cientistas tenham esboçado um monte de ideias sobre a propulsão, rastrear os microrrobôs depois de implantados no corpo continua sendo um grande desafio.
Combinações de diferentes técnicas de imagem podem ajudar. Ultra-som, ressonância magnética e imagens infravermelhas são muito lentos para observar as operações de microrrobôs nas profundezas do corpo. Mas, combinando luz, som e ondas eletromagnéticas, poderíamos aumentar a resolução e a sensibilidade.
Idealmente, uma técnica de imagem deve ser capaz de rastrear micromotores 10 centímetros sob a pele, em 3D e em tempo real, movendo-se a uma velocidade mínima de dezenas de micrômetros por segundo, dizem Medina-Sanchez e Schmidt.
No momento, isso é difícil de conseguir, mas os cientistas esperam que as técnicas optoacústicas de ponta, combinando imagens de infravermelho e ultrassom, possam se tornar boas o suficiente para rastrear microrrobôs em alguns anos.
E então a questão permanece, o que fazer com os robôs no final de sua missão. Deixá-los à deriva dentro do corpo é um sinal de coagulação ou outros efeitos colaterais catastróficos, como envenenamento por metal. Levar os robôs de volta ao ponto inicial (boca, olhos e outras aberturas naturais) pode ser opressor. Portanto, os cientistas estão considerando opções melhores: remover robôs de forma natural ou criá-los a partir de materiais biodegradáveis.
Este último tem uma vantagem separada: se os materiais são sensíveis ao calor, acidez ou outros fatores corporais, eles podem ser usados para criar biorobots autônomos que funcionam sem baterias. Por exemplo, os cientistas já fizeram pequenas "pinças" em forma de estrela que se fecham ao redor do tecido quando expostas ao calor. Quando colocada em torno de órgãos ou tecidos doentes, a garra pode fazer biópsia in situ, oferecendo um método menos invasivo para rastreamento de câncer de cólon ou rastreamento de doença inflamatória intestinal crônica.
“O objetivo é criar microrrobôs que possam detectar, diagnosticar e agir de forma autônoma enquanto os humanos estão observando e permanecendo sob controle em caso de mau funcionamento”, disseram Medina-Sanchez e Schmidt.
A fantástica jornada dos micro-robôs médicos está apenas começando.
Todas as combinações de materiais, microorganismos e microestruturas terão que ser testadas indefinidamente para garantir que são seguras, primeiro em animais e depois em humanos. Os cientistas também aguardam a ajuda dos reguladores.
Mas o otimismo dos cientistas não desaparece.
“Por meio de iniciativas coordenadas, os microrrobôs podem nos levar à era das terapias não invasivas por dez anos”, dizem os pesquisadores.
ILYA KHEL
