Ímãs macios e sem metal para alimentar robôs e guiar implantes médicos

“Robôs macios”, dispositivos médicos e implantes e métodos de administração de medicamentos da próxima geração poderão em breve ser guiados com magnetismo – graças a um gel magnético sem metal desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Michigan e do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart , Alemanha.

O material é o primeiro em que moléculas magnéticas à base de carbono são quimicamente ligadas à rede molecular de um gel, criando um ímã flexível e de longa duração para robótica suave. O estudo que descreve o material foi publicado hoje na revista Matéria.

A criação de robôs a partir de materiais flexíveis permite que eles se contorçam de maneiras únicas, manuseiem objetos delicados e explorem lugares que outros robôs não conseguem. Robôs mais rígidos seriam esmagados pela pressão do oceano profundo ou poderiam danificar tecidos sensíveis do corpo humano, por exemplo.

“Se você torna os robôs macios, precisa encontrar novas maneiras de dar-lhes energia e fazê-los se mover para que possam trabalhar”, disse Abdon Pena-Francesch, professor assistente de ciência e engenharia de materiais afiliado ao Instituto de Robótica da Universidade de Nova York. a Universidade de Michigan e autor correspondente do estudo

Os protótipos de hoje normalmente se movem com fios hidráulicos ou mecânicos, o que exige que o robô seja amarrado a uma fonte de energia ou controlador, limitando também o local onde eles podem ir. Os ímãs poderiam libertar esses robôs, permitindo que fossem movidos por campos magnéticos.

No entanto, os ímãs metálicos convencionais apresentam suas próprias complicações. Eles poderiam reduzir a flexibilidade dos robôs leves e ser muito tóxicos para algumas aplicações médicas.

O novo gel poderia ser uma alternativa não tóxica para operações médicas, e outras modificações na estrutura química do ímã poderiam ajudá-lo a degradar-se no meio ambiente e no corpo humano. Esses ímãs biodegradáveis ​​poderiam ser usados ​​em cápsulas que são guiadas para locais específicos do corpo para liberar medicamentos.

“Se esses materiais podem se degradar com segurança em seu corpo, você não precisa recuperá-los com outra cirurgia posteriormente”, disse Pena-Francesch. “Isso ainda é bastante exploratório, mas esses materiais poderão algum dia permitir operações médicas mais novas e mais baratas.”

O gel da equipe consiste apenas em moléculas à base de carbono. O ingrediente chave é o TEMPO, uma molécula com um elétron “livre” que não está emparelhado com outro elétron dentro de uma ligação atômica. O spin de cada elétron TEMPO desemparelhado no gel se alinha sob um campo magnético, que atrai o gel para outros materiais magnéticos.

“Moléculas de reticulação” adicionais no gel agem como uma estrutura que conecta as moléculas de TEMPO a uma estrutura de rede sólida enquanto forma uma gaiola protetora em torno dos elétrons de TEMPO. Essa gaiola impede que os elétrons desemparelhados formem ligações, o que removeria as propriedades magnéticas do gel.

“Estudos anteriores absorveram essas pequenas moléculas magnéticas em um gel, mas elas poderiam vazar do gel”, disse Zane Zhang, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e coautor do estudo. “Ao integrar as moléculas magnéticas na rede de gel reticulado, elas são fixadas no interior.”

O bloqueio das moléculas de TEMPO dentro do material garante que o gel não vaze moléculas de TEMPO potencialmente prejudiciais para o corpo e permite que o material retenha suas propriedades magnéticas por mais de um ano.

Embora mais fracos que os ímãs metálicos, os ímãs TEMPO são fortes o suficiente para serem puxados e dobrados com outro ímã. Seu magnetismo mais fraco também tem algumas vantagens – os ímãs TEMPO podem ser fotografados por uma ressonância magnética, ao contrário dos ímãs mais fortes que podem distorcer as imagens da ressonância magnética ao ponto da inutilidade.

“Dispositivos médicos que usam nossos ímãs poderiam ser usados ​​para fornecer medicamentos a locais-alvo e medir a adesão e a mecânica dos tecidos no trato gastrointestinal sob imagens de ressonância magnética”, disse Metin Sitti, ex-diretor do Departamento de Inteligência Física do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes e um autor correspondente do estudo.