Arquitectura y medicina inteligente contra el cáncer: nanorobots

Resumen

El presente documento tiene como fin presentar
prototipos y arquitecturas renovadoras para la medicina
nanorobótica. El campo de diseño y
construcción de dispositivos a un nivel atómico,
molecular o celular que se convierten en un campo exigente
tratando con cosas minúsculas. Se pretende dar a conocer
un hardware innovador mediante la obtención de datos
clínicos, sistemas embebidos de transición de datos
utilizando tecnología inalámbrica en terapias del
cáncer. Conocer algunos acontecimientos en curso y las
tendencias en la nano electrónica, enfoques de
simulación en 3D. Los nano-robots como respirocitos y
microbivores se han diseñado como sustitutos artificiales
de la sangre, cumpliendo todas las funciones de las
células rojas. Su actuación en el interior del
cuerpo humano sus frecuencias de comunicación y las
medidas más considerables y mejoradas que van
desarrollando de acuerdo al sistema de utilización y el
propósito que cumpla en el interior de un ser humano.
Saber las señales químicas que producen, y los
cambios que producen de acuerdo a alas etapas del cáncer y
su operación por la comunicación en tiempo real al
ordenador o base de datos. Establecer un entorno general de las
aplicaciones médicas utilizadas en la actualidad y las
diversas aplicaciones que nos permiten cumplir actuando de forma
real y precisa.

Index Terms—Nanorobots, Proliferante,
Nanotecnologia, Metabólicos, Catéteres,
Electrodos

I.
INTRODUCCIÓN

Desde el inicio del conocimiento humano,
con su crecimiento y desarrollo, las innovaciones medicas
están todavía en sus etapas iniciales
de encontrar diversos mecanismos y formas para tratar el
cáncer. La situación mundial padece y necesita
tratamientos contra este mal que daña gravemente a la
sociedad o a una parte de ella. El elevado numero de pacientes
con cáncer sitúan su tratamiento entre la prioridad
de la investigación científica [1].

La tecnología de la creación de
máquinas o robots en o cerca de la escala
microscópica de un nanómetro. la interesante
posibilidad de que las máquinas construidas a nivel
molecular se pueden usar para curar el cuerpo humano de sus
diversos males. Esta aplicación de la
nanotecnología en el campo de la medicina se denomina
comúnmente como la nanomedicina. El advenimiento de la
nanotecnologia con la fabricación de nanorobots, (Maquinas
capaces de manipular átomos, moléculas y operar de
forma precisa.) abre nuevas ventanas que prometen maneras
eficaces en la localización de las fuentes
químicas, realizando un control de las células
cancerosas y eliminándolas [1], [2].

El cáncer es el crecimiento inusitado y
descontrolado de células que tienen la capacidad de migrar
a otros lugares y hacia la superficie. Las células
cancerosas se replican mas rápido que las células
sanas, provocando la deformación en el suministro de
nutrientes y en la eliminación de residuos
metabólicos. Como en el cuerpo humano las células
cancerosas se reproducen mas rápidamente, los nutrientes
adecuados no llegan a servir a todas las células sanas,
comenzado una competencia por nutrientes por las cuales no logran
alcanzar esto hace que sean reemplazadas por células
tumorales.Una ves desarrollado el tumor las células
internas perecerán y solo las superficiales tendrán
acceso a los nutrientes, esto hace que en determinado momento el
incremento del tumor llegara a un estado de equilibrio donde la
tasa de muerte celular sera igual a la tasa de proliferante
celular [1].

El actual método convencional en el
tratamiento del cáncer, implica la
inserción de catéteres para permitir la
quimioterapia, esto permite la reducción de cáncer
presente, para luego reducir los tumores quirúrgica mente,
los diversos factores solicitan la necesidad de implementar
tecnología, proporcionando a gentes a nivel molecular;
tendrán la capacidad de identificar células
cancerosas y comunicar externamente a un dispositivo, todos estos
percances y necesidades solo podrán ser buscados en el
nano mundo. Nanorobots que puedan navegar diagnosticando
cáncer y administrando fármacos inteligentes
[1].

II. CONCEPTOS
GENERALES

Las principales tecnologías y parámetros,
el uso de tratamientos y aplicaciones utilizados para la medicina
nanorobotica su arquitectura y activación de control
requerida que puede ser conducida a la fabricación de
maquinas moleculares se describirán a
continuación.

II-A. Componentes de los Nanorobots

La compleja tecnológica y trabajar con medidas
extremadamente minúsculas, hace que los diversos
componentes en un nanorobot incluyan suministro de
energía, pulmón de combustible, sensores, motores,
manipuladores a bordo de ordenadores, bombas, tanques de
presión y apoyo estructural. Las sub-estructuras en un
nanorobot incluyen:

1. Payload: Esta sección contiene una
pequeña dosis de medicamentos. Los nanorobots
podrían atravesar en la viscosidad de la sangre y liberar
el fármaco al sitio de la infección [3].

2. Micro cámara: El nanorobot puede incluir una
cámara en miniatura, esto hace que el operador pueda
dirigirlo a través del cuerpo humano de forma manual [3],
[5].

3. Electrodos: El electrodo montado en el nanorobot
podría constituir la batería utilizando los
electrolíticos en la sangre. Estos electrodos
también servirían para destruir células
cancerosas mediante la generación de corriente
eléctrica [3].

4. Lasers: Estos podrían quemar el material
nocivo como la placa arterial, coágulos de sangre o
células cancerosas [5].

5. Señal ultrasonica: Estos generadores son
utilizados cuando se utilizan los nanorobots para destruir y
atacar cálculos renales [5].

6. Cola nadadora: El nanorobot requerirá a un
medio de propulsión para entrar en el cuerpo a medida que
viajan en contra del flujo de sangre en el cuerpo, es por eso que
esta cola le proporcionara el empuje necesario [5].

El minúsculo nanorobot contara con motores para
el movimiento y brazos manipuladores. Los dos principales
enfoques en la construcción son el ensamblaje posicional,
el brazo de un robot en miniatura servirá para recoger
moléculas y montarlas manualmente. Los nanorobots tienen
sensores químicos que pueden detectar las
moléculas, la inteligencia de estos se proporciona a
través de la denominada inteligencia de enjambre
(Inteligencia Swarm) algoritmos diseñados para la
inteligencia artificial inspirado en el comportamiento de los
animales sociales como hormigas, abejas y termitas trabajando en
colaboración sin un control centralizado . Los tres tipos
principales de técnicas de inteligencia enjambre
diseñados son: optimización hormiga colonia (ACO),
colonia de abejas artificial (ABC) y la optmización de
enjambre de partículas (PSO) [6].

II-A1. Respirocitos: Nanorobots
diseñados como glóbulos rojos artificiales, que van
a ser transmitidos por la sangre a un diámetro
dimensionado. La capa exterior esta hecha de diamondoid bombas de
moléculas selectivas y reversibles, estos respirocitos
llevaran moléculas de oxigeno y dióxido de carbono
a todo el cuerpo [7].

Esta consituido de 18 mil millones de átomos, que
se distribuyen precisamente en unos tanques de presión,
estos les permitirá almacenar hasta 3 mil millones de
moléculas de oxigeno y carbono dióxido. Este
entregara 236 veces mas oxigeno a los tejidos del cuerpo humano,
comparado con células rojas de sangre natural
[8].

Figura 1. Diseño de un Respirocito
(Robert A.Freitas Jr.)

II-B. Tecnología de
Elaboración

La fabricación de nanorobots podría
resultar una tendencia actual y nuevos métodos de
fabricación, manipulación y sistematización
estos dependerán de los diferentes cambios de temperatura
y agrupación de productos químicos en el torrente
sanguíneo. El diseño de estos sistemas se da
utilizando litografía ultravioleta profunda debido a su
alta precisión en nanodispositivos y nanoelectronica
[9].

La tecnología CMOS conduciría con
éxito el camino para los montajes necesarios para la
fabricación de los nanorobots, ya que con el uso de
nanofotónica, nanotubos aumentarían los niveles de
resolución desde 248nm a 157nm, logrando una
implementacion exitosa [10].

II-C. Sensor
Químico

Los productos químicos y con sensores de
movimiento de fabricación con silicio utilizan un a
jerarquía que se basa en una arquitectura con sistemas de
dos niveles. El uso de nanocables, producen costos
significativos, demanda de energía para transferencia de
datos como la reducción de su circuito un 60 %
[11].

La evolución reciente de los circuitos en 3D y
FinFETs (puertas dobles) han logrado resultados sorprendentes en
semiconductores, mejorando aun su técnica de
fabricación y su tecnología para alto rendimiento
con la estructura, sobre de silicion aislante (SOI) [12],
[13].

II-D. Fuente de
Alimentación

El uso de la tecnología CMOS para la telemetria
activa y fuente de alimentación es la forma mas eficaz
para mantener la energía siempre y cuando que se desee
mantener al nanorobot en funcionamiento esta técnica
también es usada para la codificación de
transferencia de datos digitales desde el interior del cuerpo
humano [13].

Esto permite que nanocircuitos con propiedades
eléctricas resonantes operen como chips proporcionando el
suministro de energía electromagnética llevando a
cabo muchas tareas con pocas o ningunas perdidas significativas.
Los procedimientos de telemetria han dado resultados
significativos en la monitorizacion de pacientes y transmicion de
energía con el uso de acoplamiento
inductivo[14].

Figura 2. Control de Diseño
Nanorobot (Adriano Calvacanti)

Todos los nanorobots nadan cerca de la pared para
detectar señales de cáncer. vena vista interna sin
los glóbulos rojos. La célula de tumor se
representa el objetivo por la esfera rosa situada a la izquierda
en la pared.

II-E. Transmisión de Datos

El estudio de dispositivos y sensores implantados dentro
de un cuerpo humano para la transmisión de datos de la
salud de los pacientes logra facilitar numerosas ventajas en la
revisión medica. La recopilación de datos en vivo y
su transmisión fue lograda con éxito en
electroencefalogramas. La comunicación de espacios de
trabajo, aplicaciones, acústica, luz y señales
químicas son consideradas para comunicación y
transmisión de datos usadas en la coordinación de
trabajo en equipo. La implementación de sensores
integrados para la transferencia de datos es la mejor respuesta
para leer y escribir datos en dispositivos [15].

Las frecuencias de comunicación que
un nanorobot puede alcanzar es 20
&µW a 8 H z a tasas de resonancia con
el suministro de 3V . La arquitectura de la maquina molecular que
ha establecido con éxito una antena con el tamaño
de 200nm para el nanorobot existiendo frecuencias que van desde 1
a 20M H z utilizadas con éxito para
aplicaciones biomédicas sin causar daños
[21].

II-E1. Aplicación del Sistema: La
arquitectura nanorobotica implica el uso de teléfonos
móviles, quimioterapia inteligente en la detección
del cáncer. Estos utilizan un sistema transponedor en
posicionamiento vivo utilizando bases de comunicación o
protocolos que permiten posicionar al nanorobot.

III.
SEÑALES QUÍMICAS EN EL CUERPO
HUMANO

Uno de los aspectos claves para hacer frente a las
diversas aplicaciones de los nano-robots para el cáncer es
la interacción de las de las señales
químicas con el torrente sanguíneo. La arquitectura
diseñada en la detección de cambios restantes, es
examinado para mejorar la respuesta de los biosensores y sus
capacidades. En este modelado utilizan el de render este nos
permite una mejor profundidad y percepción de la distancia
en 3D [22]. El comportamiento nominal de un nanorobot pasando por
encima del objetivo (circulo pequeño gris) con el fluido
que se mueve a la derecha. Línea discontinua gruesa
muestra inicial movimiento pasivo, que dura alrededor de
10ms, como el nanorobot determina la señal de
concentración es significativamente por encima del fondo.
Las distancias son en micras. Como podemos observar en la Fig.
3

Figura 3. Comportamiento Nominal de un
Nanorobot.

Cuando un primer nanorobot detecta un tumor para el
tratamiento medico, este a su vez puede ser programado para estar
fijo en este punto atrayendo a un numero predefinido de otros
nanorobots a la ayuda para quimioterapias con el suministro
preciso de drogas, la comunicación inalámbrica
dará a conocer la posición exacta a los
médicos donde se encuentra el tumor[23].

Su actuación como el quorum en las bacterias
estas pueden atraer o derogar nanorobots estimando cuantos
deberán estar en el objetivo, esta cantidad puede variar
dependiendo de la etapa y tamaño del
cáncer[23].

Métodos de
Control:

Aleatorios: Nanorobots móviles pasivamente con el
fluido pueden alcanzar el objetivo solo si se encuentran en ella
debida al movimiento browniano.

Seguimiento de Gradiente: Una concentración de
nanorobots se localizan en el monitor y se visualiza la
intensidad de las señales de E-cadherina cuando detectan
un objetivo hasta llegar al gradiente, si en el trayecto este
estima que no se encuentra una señal adicional en 50ms, el
nanorobot considera que la señal es un falso positivo y
considera fluyendo en el liquido sanguíneo.

Gradiente con atrayente: Estos liberan una señal
química diferente utilizando por otros para mejorar su
capacidad de encontrar el objetivo, esta técnica implica
la comunicación entre los nanoroboto"s al evaluar estas
técnicas se aprecia el beneficio de la comunicación
química entre nanorobots para trabajar en aplicaciones
biomédicas.

IV. SISTEMAS DE
IMPLEMENTACIÓN

Los prototipos de los nanorobots utilizan un enfoque
basado en tareas con la detección de concentraciones mas
altas de proteína alfa-NAGA. La simulación y
análisis consisten en adoptar una visión
multi-escala del escenario con la simulación de flujo
sanguíneo, incorporando la morfología física
del entorno biológico junto con los patrones de flujo de
fluidos fisiológicos aliandose con los sistemas de
nanorobots para su accionamiento, detección y control. Por
lo tanto el software NCD (Control Design Nanorobot) se utiliza
para detección y actuación este modelo
computacional se aplica como una herramienta practica de control
y diseño [24], [25].

Estas herramientas han apoyado significativamente la
industria de los semiconductores para lograr la
implementación VLSI mas rápido. La
simulación puede anticipar el rendimiento, la cual ayudara
en la nueva creación de prototipos de dispositivos y de
fabricación de hardware [25], [26].

Figura 4. Parte afectada de un vaso
sanguineo (Adriano Calvacanti)

V. APLICACIONES
DE LOS NANOROBOTS EN LA MEDICINA

Sus diversas aplicaciones en la medicina les permite
realizar una variedad de tareas el seguimiento y tratamiento de
la enfermedades vitales. Los nanorobots son capaces de
suministrar medicamentos y drogas en sitios / objetivos
específicos en el cuerpo humano.

Aplicaciones de los
nanorobots:

1. Pharmacytes: Son nanorobots diseñados para la
acción de liberación del fármaco. La dosis
de fármaco se carga y este a su vez sera capaz del
transporte y la entrega precisa de fármaco en destinos
específicos. Al llegar al lugar indicado o localizar el
tumor el pharmacytes liberara el fármaco a través
de nano inyección o por penetración progresiva,
hasta que esta alcance su carga útil [16].

2. Vigilancia del cuerpo: Otra tarea especifica que
podrían cumplir es la de supervisión continua de
los signos vitales y la transmisión inalámbrica
mediante los nanorobots. Estos nuevos avances también
ayudarían a una respuesta inmediata si se da algún
cambio brusco en las entrañas y riesgos así como
también la advertencia de altos niveles de glucemia para
el caso de los diabéticos [17].

3. Dentistry: Otra ayuda medica seria en los
tratamientos dentales conocidos como dentifrobots. Estos
nanorobots pueden incluir analgesia oral, de sensibilizar los
dientes, manipular los tejidos para alinear y enderezar un
conjunto irregular en los dientes [18].

4. Cirugias: Los nanorobots programados
quirúrgicamente pueden actuar como un cirujano
semiautónomo en el cuerpo humano. Realizando diversas
funciones como detección de patologías,
diagnósticos y corrección de lesiones por nano
manipulación [19].

5. Terapia Genética: La medicina nanorobotica
puede tratar enfermedades genéticas mediante la
comparación de la estructura molecular de ADN y
proteínas que se encuentran en la célula
[20].

6. Cirugías Delicadas: Los
nanorobots tendrían la facilidad de realizar micro
cirugías del ojo como también cirugías de la
retina y las membranas que las rodean. Otra de las funciones que
podrían cumplir es la de suministrar la droga en una parte
distinta del cuerpo y guiarla al ojo, evitando inyectarla
directamente [17].

7. Cirugía Fetal: Considerada una cirugía
rigorosa debido a la alta tasa de mortalidad ya sea de la madre o
del bebe, podría mejorar debido a que los nanorobots
pueden proporcionar un mejor acceso a la zona requerida
induciendo un trauma mínimo [17].

VI.
CONCLUSIONES

La recopilación y el estudio de los diferentes
nanorobots y los nanobiosensores químicos, para la
detección de los niveles de E-cadherina en sus fases
primarias y metafísicas de la información
recopilada establece una metodología integral de
seguimiento de célula tumoral solo en una pequeña
venula, en el cual estos nanorobots utilizan técnicas de
comunicación para aumentar la eficiencia y enfrentar a un
organismo canceroso en el interior del cuerpo humano. La
recopilación de la información de las simulaciones
ha demostrado como responder en un menor tiempo y lograr la
detección de tumores, combinando las capacidades de
comunicación como estrategia de un nanorobot. La
investigación y desarrollo de nanorobots pueden resultar
una mejora significativa de la instrumentación medica y
avances sin precedentes en la terapia del
cáncer.

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015103(15pp).

Autor:

Diego Geovanny Criollo Tacuri

Nacido el 23 de diciembre de 1993, en la ciudad de
Cuenca, Ecuador. Cursó sus estudios secundarios en la
Unidad Educativa "Técnico Salesiano", en donde obtuvo el
título de Bachiller en Instalaciones Equipos y Maquinas
Electricas. Actualmente se encuentra cursando el quinto ciclo de
la carrera de Ingeniería Electrica de la Universidad
Politécnica Salesiana, Sede Cuenca.