La nanorobótica es una nueva rama de la nanotecnología que se centra en el diseño y la fabricación de dispositivos a nivel atómico, molecular y celular. La capacidad de trabajar a nivel molecular, átomo por átomo, para crear grandes estructuras con una organización molecular fundamentalmente nueva es el corazón de la nanotecnología.
El objetivo es aprovechar estas propiedades aprendiendo a controlar estructuras y dispositivos a nivel atómico, molecular y supramolecular y fabricar y utilizar estos dispositivos de manera eficiente. Estos hipotéticos nanorobots serán extremadamente pequeños y transversales dentro de la sangre humana.
Estos nanorobots estarían equipados con sensores especiales para detectar moléculas objetivo y podrían programarse para diagnosticar y tratar diversas enfermedades. Los respirocitos, los microbívoros y los clottocitos son nanorobots que han sido diseñados para actuar como sustitutos artificiales de la sangre.
Los respirocitos están diseñados para imitar todas las funciones importantes de los glóbulos rojos y también se utilizan para tratar anemia, infartos, enfermedades pulmonares, etc. Por el contrario, el coagulocito imita el proceso natural de hemostasia y el microbívoro sigue el proceso de fagocitosis. para destruir los patógenos transmitidos por la sangre.
1. Respirocitos
Los respirocitos son nanorobots diseñados como glóbulos rojos mecánicos artificiales, transportados por la sangre con un tamaño esférico de 1 µm de diámetro. La capa exterior es un recipiente a presión diamantado de 1000 atm con bombas selectivas de moléculas reversibles. Los respirocitos transportan moléculas de oxígeno y dióxido de carbono por todo el cuerpo.
El respirocito comprende 18 mil millones de átomos que están cuidadosamente dispuestos en tanques de presión diamantados que pueden contener 3 mil millones de moléculas de oxígeno y dióxido de carbono. Comparado con los glóbulos rojos naturales, el respirocito entregaría 236 veces más oxígeno a los tejidos del cuerpo.
El respirocito podría manejar la acidez carbónica, controlada por sensores de concentración de gas y una nanocomputadora a bordo.
Las bombas moleculares liberan los gases almacenados del tanque de manera controlada. Los respirocitos usan rotores moleculares para intercambiar gases. Los rotores tienen diferentes puntas para diferentes tipos de moléculas. Hay tres tipos de rotores en cada respirocito. Mientras viaja a través del cuerpo, un rotor libera el oxígeno almacenado. El segundo tipo de rotor captura todo el dióxido de carbono del torrente sanguíneo y lo libera a los pulmones, mientras que el tercer rotor utiliza la glucosa del torrente sanguíneo como fuente de energía. Se colocan doce bombas idénticas alrededor del ecuador; rotores de oxígeno a la izquierda, rotores de agua en el medio y rotores de dióxido de carbono a la izquierda. Hay sensores de concentración de gas en la superficie del respirocito.
La nanocomputadora a bordo ordena a los rotores de clasificación que carguen oxígeno y liberen moléculas de dióxido de carbono a medida que el respirocito pasa a través de los capilares pulmonares, donde la presión parcial de O2 será alta y la presión parcial de CO2 será baja; como resultado, la nanocomputadora a bordo ordena a los rotores de clasificación que carguen oxígeno y liberen moléculas de dióxido de carbono; las cámaras de lastre de agua ayudan a mantener la flotabilidad. El monóxido de carbono y otros gases venenosos pueden ser eliminados del cuerpo por los respirocitos.
Al imitar las funciones de transporte de oxígeno y dióxido de carbono de un eritrocito, el respirocito funciona como un eritrocito artificial. Una dosis terapéutica de 5 cc de una suspensión salina de respirocitos al 50 por ciento que contenga 5 billones de nanorobots reemplazaría por completo los 5,4 litros de capacidad de transporte de gas de la sangre del paciente. Una vez que se ha alcanzado el objetivo terapéutico, el respirocito puede retirarse de la circulación, lo que requiere un protocolo de activación de respirocito. La sangre a ser limpiada pasaría del paciente a un aparato de centrifugación especializado donde los transmisores ultrasónicos ordenarían al respirocito que mantuviera una flotabilidad neutra durante el procedimiento de nanaféresis. Debido a que ningún otro componente sólido de la sangre puede mantener una flotabilidad neutra durante la centrifugación, esos componentes se precipitan hacia el exterior. Los componentes sanguíneos se reintroducen en el plasma filtrado. El plasma filtrado se combina con componentes sanguíneos sólidos centrifugados antes de devolverlo intacto al cuerpo del paciente.
2. Microbívoros
Los microbívoros, también conocidos como fagocitos nanorobóticos, son un tipo de nanorobot que actúa como un glóbulo blanco artificial. El microbívoro es un dispositivo esferoide hecho de diamante y zafiro con 610 mil millones de átomos estructurales dispuestos con precisión que miden 3,4 m de diámetro a lo largo de su eje mayor y 2,0 m de diámetro a lo largo de su eje menor. Captura patógenos en el torrente sanguíneo y los desintegra en moléculas más pequeñas. La función principal de los microbívoros es la fagocitosis para absorber y digerir patógenos en el torrente sanguíneo. El microbívoro consta de 4 componentes fundamentales:
- Una serie de sitios de unión reversibles.
- Una serie de garfios telescópicos.
- Una cámara de morcelación.
- Cámara de digestión.
La bacteria objetivo se une a la superficie del microbívoro a través de un sitio de unión reversible específico de la especie durante el ciclo de operación. Cuando la bacteria y el microbívoro chocan, la superficie entra en contacto, lo que permite que el sitio de unión reversible reconozca a la bacteria y se una débilmente a ella. Nueve marcadores antigénicos diferentes deben ser específicos y confirmar el evento de unión positivo que confirma la presencia del microbio objetivo. Los nueve conjuntos de marcadores se distribuirían en 275 regiones en forma de disco a través de microbívoros en un total de 20.000 copias. Las pinzas robóticas telescópicas se elevan desde la superficie y se adhieren a la bacteria atrapada, estableciendo un anclaje seguro. La bacteria se puede transportar desde el sitio de unión hasta el puerto de ingestión mediante el movimiento de transferencia de la garra. Luego, la bacteria se internaliza y se tritura en piezas a nanoescala en la cámara de morcelación. Los restos se empujan a la cámara de digestión, que contiene un conjunto de enzimas digestivas que han sido preprogramadas.
Estas enzimas se inyectan y extraen seis veces durante un solo ciclo de digestión, reduciendo el morcelado a aminoácidos, mononucleótidos, ácidos grasos libres y azúcares simples. A través del puerto de escape, estas pequeñas moléculas se liberan en el torrente sanguíneo. Los microbívoros abandonan el cuerpo a través de los riñones y se excretan en la orina después de destruir los patógenos.
En 30 segundos, se completará todo el ciclo de fagocitosis de un microbívoro. No hay riesgo de shock séptico o sepsis porque los componentes bacterianos se internalizan y digieren en biomoléculas no antigénicas. El patógeno es 1000 veces más rápido que los glóbulos blancos asistidos por antibióticos y no tiene posibilidad de desarrollar resistencia a múltiples fármacos. También pueden tratar infecciones en el sistema respiratorio, los líquidos cefalorraquídeos y los líquidos urinario y sinovial.
3. Clotocitos
La hemostasia es la coagulación de la sangre que ocurre cuando las plaquetas dañan las células del endotelio de los vasos sanguíneos. La colisión del colágeno expuesto de los vasos sanguíneos dañados con estas plaquetas puede activarlas. La coagulación natural de la sangre puede tardar entre 2 y 5 minutos. La nanotecnología ha demostrado la capacidad de reducir el tiempo de coagulación y la pérdida de sangre. Se encuentra que los coágulos de sangre ocurren irregularmente en algunos pacientes. Para tratar esta anomalía se utilizan fármacos como los corticosteroides. Los efectos secundarios del tratamiento con corticosteroides incluyen secreciones hormonales, daño a la sangre/plaquetas en los pulmones y reacciones alérgicas. El clotocito es una plaqueta mecánica o un coagulocito que puede completar la hemostasia en menos de un segundo. Es un nanorobot esférico con un diámetro de 2 m alimentado por suero-oxiglucosa y tiene una malla de fibra plegada de forma compacta a bordo. El tiempo de respuesta de los clotocitos es 100-1000 veces más rápido que el sistema hemostático natural. La malla de fibra sería biodegradable y, cuando se liberara, una capa de película soluble sobre la malla se disolvería cuando entrara en contacto con el plasma, exponiendo la malla pegajosa.
Se requerirían protocolos de comunicación confiables para controlar la liberación coordinada de la malla de los coagulocitos vecinos y regular el radio de activación de múltiples dispositivos dentro de la población local de coagulocitos. Los sensores a bordo del coagulocito detectan un cambio en la presión parcial a medida que la sangre rica en coagulocitos ingresa al vaso sanguíneo lesionado, lo que indica que se ha desangrado fuera del cuerpo. A la temperatura del cuerpo humano, las moléculas de oxígeno del aire se difunden a través del suero si el primer coágulo se encuentra a 75 metros de la interfaz aire-suero. A través de pulsos acústicos, esta detección se transmitiría rápidamente a los coagulocitos vecinos. Esto permite que una cascada de habilitación de dispositivos cuidadosamente controlada se propague rápidamente. La adherencia de la malla de fibra sería específica del grupo sanguíneo, atrapando las células sanguíneas al unirse a los antígenos de las células sanguíneas. Cada malla se superpondría a la malla contigua, atrayendo glóbulos rojos y deteniendo el sangrado de inmediato.
Los clotocitos tienen una función de coagulación casi idéntica a las plaquetas naturales a 1/10.000 de la concentración en el torrente sanguíneo, es decir, 20 coagulantes por milímetro cúbico de sangre. El principal peligro de los coagulocitos es que el aumento de la actividad de las plaquetas mecánicas podría provocar una coagulación intravascular diseminada, lo que daría lugar a múltiples microtrombos.