UNA CÁPSULA QUE ESTALLA COMO UNA VAINA DE SEMILLAS
Diminutos microrrobots magnéticos podrían algún día recorrer el tubo digestivo para administrar fármacos, tratar una lesión o tomar imágenes. Pero primero tienen que llegar enteros —protegidos del ácido, la mucosidad y los movimientos del estómago— y luego liberarse rápidamente en el lugar adecuado. Las cápsulas actuales o bien incorporan motores, resortes y electrónica, lo que deja poco espacio para la carga, o bien recurren a materiales «inteligentes» que tardan de minutos a horas en abrirse.
Mengfan Zhang, Zike Chen, Rui Xiao, Guoyong Mao y sus colegas de la Universidad de Zhejiang, en Hangzhou, encontraron su solución en una planta con flores.
El truco de una vaina que estalla
Cuando la vaina de Impatiens balsamina está madura, un ligero roce la hace estallar: sus valvas se enroscan hacia dentro en un instante y lanzan las semillas. En especies emparentadas, las semillas salen a entre 1 y 4 metros por segundo. El principio es un resorte con cierre (latched spring): las valvas curvadas almacenan energía elástica y el tejido que las rodea actúa como cierre. Al liberarse el cierre, la energía almacenada hace todo el trabajo.
Tres piezas
La cápsula copia este diseño con tres partes:
- una cúpula blanda de silicona, vuelta del revés durante el montaje: es el resorte;
- una base de plástico impresa en 3D, un cilindro de 8 milímetros de diámetro y 5 milímetros de alto, con una pequeña cámara para los robots;
- un anillo de gel de gelatina, carragenano y nanopartículas de óxido de hierro: es el cierre.
Bajo un campo magnético alterno, las nanopartículas calientan el gel. Este se ablanda y se rompe desde dentro, la cúpula recupera de golpe su forma y la cápsula se abre de un estallido. La gelatina pura se fundiría entre 30 y 36 °C, demasiado cerca de la temperatura corporal; añadir carragenano mantiene el gel firme a 37 °C, con una transición a líquido a 51,6 °C.
Afinar el resorte
La parte difícil era mecánica. Una cúpula invertida puede ser biestable —quedarse dada la vuelta una vez empujada— y entonces nunca volvería a abrirse. Debe ser monoestable, recuperar siempre su forma. Pero una cúpula demasiado rígida rompería el gel antes del disparo. Mediante simulaciones por ordenador, el equipo cartografió qué formas son biestables o monoestables y descubrió que el collar usado para pegar la cúpula la empuja hacia la biestabilidad, de modo que la cúpula tiene que ser más gruesa que una lámina de manual. Su cúpula final: 2,6 milímetros de alto y 1,5 milímetros de grosor sobre una semiluz de 5 milímetros. Liberada con unas pinzas, una cúpula así sale despedida a 1,21 metros por segundo y se separa por completo en menos de 100 milisegundos.
De una pista impresa al estómago de un cerdo
En la prueba completa, un imán desliza la cápsula cerrada por una pista impresa en 3D hasta su objetivo en unos 70 segundos. El campo alterno calienta entonces el gel de unos 20 a 41 °C. La cápsula se abre menos de 50 milisegundos después de que el gel se ablande, y los robots salen despedidos a alrededor de 1,0 metro por segundo, el extremo inferior del rango de las semillas. Después, un imán los reúne hacia puntos elegidos. Los «robots» son aquí pequeñas piezas de elastómero magnético.
Sobre un estómago de cerdo fuera del cuerpo, la cápsula permaneció cerrada mientras se guiaba sobre el tejido y se abrió a voluntad. El tejido, blando y pegajoso, absorbió parte de la energía: la velocidad de expulsión cayó al principio a unos 0,5 metros por segundo. Los robots liberados pudieron aun así guiarse por la superficie. Colocada al revés, la cápsula se abre suavemente sin lanzar nada, y el imán saca los robots: un modo más suave.
Los autores enumeran lo que queda por hacer: ninguna prueba en un animal vivo, comportamiento desconocido del gel en el ácido del estómago y los fluidos digestivos, y un gel más resistente que, en cambio, se fundiría a una temperatura más alta. Cuatro de ellos —Mao, Zhang, Chen y Xiao— han presentado una solicitud de patente sobre la cápsula.