Microalgas magnéticas numa missão para se tornarem robôs

Uma equipa de investigadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS), em Estugarda, desenvolveu um micro-nadador bio-híbrido revestido com material magnético, cuja capacidade de natação não é afetada pelo revestimento. A equipa do Departamento de Inteligência Física do MPI-IS publicou o seu trabalho na revista Matter, que abrange uma vasta gama de investigação em ciência dos materiais.

Na natureza, as pequenas microalgas unicelulares de dez micrómetros são nadadoras fantásticas, impulsionadas pelos seus dois flagelos semelhantes a chicotes na parte da frente.

No entanto, não era claro o que aconteceria se os cientistas cobrissem as algas com um revestimento fino do polímero natural quitosano (para uma boa aderência) misturado com nanopartículas magnéticas.

Será que o minúsculo nadador continuaria a ser capaz de encontrar o seu caminho através de espaços apertados e – como se isso não fosse um desafio suficiente – de atravessar um líquido viscoso com uma densidade semelhante à do muco?

Os cientistas descobriram que os seus micro nadadores à base de algas verdes quase não foram afectados pela carga extra. Com os seus flagelos, que executam um movimento de bruços, as algas catapultaram-se para a frente como uma bala veloz.

Apesar do revestimento, mantiveram a sua velocidade de natação após a magnetização, demonstrando uma velocidade média de natação de 115 micrómetros por segundo (cerca de 12 comprimentos corporais por segundo). Em comparação: um nadador olímpico como Michael Phelps pode atingir uma velocidade de 1,4 comprimentos corporais por segundo. Note-se que a alga é apenas uma célula sem pernas e pés.

Birgül Akolpoglu e Saadet Fatma Baltaci, co-autores do estudo, são cientistas do Departamento de Inteligência Física do MPI-IS. Há alguns anos, investigaram a forma como micro-nadadores baseados em bactérias podiam ser controlados magneticamente em espaços fluídicos para aplicações de administração de medicamentos.

Agora, voltaram a sua atenção para as microalgas. O seu objetivo era funcionalizar a superfície dos organismos unicelulares com um material magnético para que pudessem ser dirigidos em qualquer direção desejada – transformando as microalgas num microrrobô.

O revestimento das células demorou apenas alguns minutos e, no final, nove em cada dez algas foram cobertas com sucesso com as nanopartículas magnéticas. A equipa começou por testar o seu robô bio-híbrido a nadar num líquido tão fino como a água. Utilizando campos magnéticos externos, conseguiram controlar a direção em que as microalgas nadavam.

Em seguida, os investigadores conduziram o seu robô ao longo de cilindros em miniatura impressos em 3D, criando um ambiente altamente confinado em que a maior dimensão era apenas três vezes superior ao tamanho das minúsculas microalgas.

Para verificar se a condução era bem sucedida, a equipa montou dois sistemas diferentes: um com bobinas magnéticas e outro com ímanes permanentes à volta do microscópio. Criaram um campo magnético uniforme e alteraram repetidamente a sua direção.

“Descobrimos que os biohíbridos de microalgas navegam em microcanais impressos em 3D de três formas: retrocesso, travessia e travessia magnética. Sem orientação magnética, as algas ficavam frequentemente presas e voltavam ao início. Mas com o controlo magnético, moviam-se mais suavemente, evitando os limites”, diz o coautor da publicação, Birgül Akolpoglu, sobre o seu estudo de prova de conceito.

“A orientação magnética ajudou os biohíbridos a alinharem-se com a direção do campo, mostrando um potencial real para navegar em espaços confinados – é como dar-lhes um pequeno GPS!”, acrescenta.

Numa fase seguinte, a equipa aumentou a viscosidade do fluido e voltou a enviar os microrrobôs através dos canais estreitos.

“Queríamos testar o desempenho dos nossos nadadores em algo que é semelhante ao muco. Descobrimos que a viscosidade afeta a forma como os biohíbridos de microalgas nadam. Uma maior viscosidade torna-os mais lentos e altera a forma como nadam para a frente. Quando aplicámos o campo magnético, os nadadores oscilaram, movendo-se para a frente num padrão em ziguezague. Isto mostra como o ajuste fino da viscosidade e o alinhamento magnético podem otimizar a navegação dos microrrobôs em ambientes complexos”, acrescenta Baltaci.

“A nossa visão é utilizar os microrrobôs em ambientes complexos e pequenos que são altamente confinados, como os que se encontram nos nossos tecidos. As nossas descobertas abrem portas a aplicações como a administração de medicamentos específicos, fornecendo uma solução biocompatível para tratamentos médicos com um potencial empolgante para futuras inovações em biomedicina e não só”, conclui a equipa.