Cómo funcionan los microrrobots magnéticos que liberan fármacos en órganos internos

En un avance en la medicina de precisión se ha logrado la creación de microrrobots magnéticos capaces de transportar y liberar medicamentos de manera dirigida en entornos biológicos complejos, como el intestino o el cartílago humano.

Estos dispositivos, denominados microrrobots derivados de gotas magnéticas permanentes (PMDMs, por sus siglas en inglés), fueron presentados y validados experimentalmente por un equipo internacional liderado por la Universidad de Oxford y la Universidad de Michigan, con la colaboración del Imperial College London.

Los resultados, publicados en Science Advances y difundidos por la Universidad de Michigan, abren nuevas posibilidades para tratamientos localizados y mínimamente invasivos en enfermedades como la inflamatoria intestinal y el cáncer.

Cómo funcionan los PMDMs

Los PMDMs se caracterizan por su estructura de doble fase: una parte de hidrogel biocompatible, que transporta el fármaco o células terapéuticas, y una parte magnética, compuesta por micropartículas de neodimio-hierro-boro (NdFeB), que permite su control remoto mediante campos magnéticos.

Esta configuración Janus, en la que el gel y el material magnético se separan dentro de cada microrrobot, se obtiene a través de un proceso de microfluídica en cascada (una técnica que manipula volúmenes extremadamente pequeños de fluidos a través de canales microscópicos, permitiendo un control preciso de materiales a escala micrométrica), que posibilita la producción masiva y eficiente de estos dispositivos, alcanzando una tasa de fabricación de hasta 300 unidades por minuto.

Según Yuanxiong Cao, coautor principal del estudio, “la microfluídica nos permite generar cientos de microrrobots en minutos, lo que incrementa la eficiencia y reduce los costos de fabricación”, advierte en el comunicado de prensa emitido por la universidad.

El funcionamiento de los PMDMs se basa en su capacidad para ensamblarse en cadenas y adoptar diferentes modos de locomoción —caminar, gatear, oscilar y desplazarse lateralmente— en respuesta a campos magnéticos alternos.

Esta versatilidad les permite navegar por terrenos irregulares, superar obstáculos y adaptarse a espacios confinados, como los que se encuentran en órganos internos. Las simulaciones computacionales desarrolladas por el equipo de la Universidad de Michigan, liderado por Philipp Schönhöfer y Sharon Glotzer, han permitido predecir y optimizar el comportamiento de los microrrobots ante distintos escenarios, afinando la respuesta de los dispositivos a frecuencias específicas del campo magnético.

Schönhöfer destacó: “Me sorprendió el nivel de control que tenemos sobre las partículas, especialmente en los ciclos de ensamblaje y desensamblaje, según la frecuencia del campo magnético”, según informó la Universidad de Michigan.

La validación experimental de los PMDMs incluyó pruebas en modelos biológicos relevantes. En un experimento que simuló el tratamiento de la enfermedad inflamatoria intestinal, los investigadores introdujeron los microrrobots en un segmento de intestino porcino mediante un catéter.

Una vez en el interior, los PMDMs se dirigieron con precisión hasta el sitio objetivo utilizando un campo magnético externo. Al disolverse la fase de gel, el fármaco —simulado por un tinte fluorescente— se liberó en el lugar deseado, y el equipo pudo confirmar la llegada del agente terapéutico al tejido diana. Además, se evaluó la liberación controlada y secuencial de diferentes cargas, utilizando hidrogeles con distintas tasas de degradación para lograr una administración programada.

En otro modelo, los PMDMs se emplearon en un cartílago humano impreso en 3D, donde demostraron su capacidad para alcanzar zonas de difícil acceso y liberar el medicamento de forma localizada. Tras la entrega, los microrrobots fueron guiados de regreso al punto de entrada y recuperados mediante un catéter equipado con imanes, lo que minimiza el riesgo de que queden residuos magnéticos en el organismo.

Una de las principales ventajas de esta tecnología, según la Universidad de Michigan, es la posibilidad de recuperar completamente los microrrobots tras la liberación del fármaco. A diferencia de otros sistemas magnéticos, en los que las partículas pueden dispersarse y permanecer en el cuerpo, los PMDMs mantienen su integridad estructural incluso después de la degradación del hidrogel, facilitando su extracción y reduciendo potenciales efectos adversos.

Los experimentos de degradación y recuperación confirmaron que las micropartículas magnéticas permanecen agrupadas y pueden retirarse sin dejar rastros detectables en el tejido.

Diseño adaptable y biocompatibilidad

El diseño modular de los PMDMs permite adaptar la composición del hidrogel y la carga terapéutica a las necesidades específicas de cada tratamiento. Por ejemplo, en enfermedades inflamatorias intestinales, donde es necesario administrar múltiples fármacos en diferentes zonas del tracto digestivo, los microrrobots pueden programarse para liberar corticosteroides, inmunomoduladores o agentes regenerativos en puntos concretos. De igual modo, en tumores sólidos, la entrega secuencial y localizada de quimioterápicos o inmunoterapias podría optimizar la penetración y eficacia del tratamiento.

El proceso de fabricación por microfluídica no solo ofrece alta eficiencia y bajo costo, sino que también permite ajustar el tamaño y la composición de los microrrobots para transportar distintos tipos de medicamentos o células. Las pruebas de biocompatibilidad realizadas con células endoteliales humanas mostraron que los PMDMs no afectan negativamente la viabilidad celular, lo que respalda su potencial para aplicaciones clínicas.

El equipo de investigación prevé integrar los PMDMs con plataformas avanzadas de control electromagnético y sistemas de seguimiento en tiempo real, como la imagen por partículas magnéticas, para mejorar la precisión y autonomía de la navegación en entornos biológicos complejos.

Además, el uso de algoritmos de aprendizaje por refuerzo podría permitir la adaptación dinámica de la trayectoria de los microrrobots en función de la retroalimentación sensorial, optimizando la entrega del fármaco y la evasión de obstáculos.

Molly Stevens, profesora de Bionanociencia en la Universidad de Oxford y coautora principal, subrayó: “Con este trabajo, nos acercamos a una entrega terapéutica muy avanzada. Nuestras técnicas de fabricación permiten crear sistemas robóticos blandos con características y capacidades de movimiento notables”, según recogió Science Advances.