Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts y de la Universidad de Boston han fabricado y caracterizado las primeras estructuras de metamateriales de gran área con patrones de implantables, sustratos de seda biocompatibles.

La investigación en la revista Materiales avanzados , proporciona un camino prometedor hacia el desarrollo de una nueva clase de biosensores y biodetectores implantables inspirados en metamateriales.

Los metamateriales son compuestos electromagnéticos artificiales, típicamente hechos de metales altamente conductores, cuyas estructuras responden a las ondas electromagnéticas de una manera que los átomos de los materiales naturales no lo hacen. Los metamateriales más futuristas absorberían toda la luz, para crear calor para destruir el tejido canceroso, o doblar la luz completamente alrededor de un objeto, hacer que ese objeto sea invisible, un deleite imaginario para los fanáticos de la ciencia ficción o las novelas de espías.

"Sin embargo, el poder real de los metamateriales es la posibilidad de construir materiales con una respuesta electromagnética diseñada por el usuario en una frecuencia objetivo controlada con precisión. Esto abre la puerta a comportamientos electromagnéticos novedosos como el índice de refracción negativo, lente perfecta, absorbentes perfectos y mantos de invisibilidad, "explica el profesor de Ingeniería Biomédica de Tufts, Fiorenzo Omenetto, quien dirigió el equipo de investigación. Omenetto también tiene un nombramiento en el Departamento de Física de la Escuela de Artes y Ciencias de Tufts.

El equipo se centró en compuestos de seda metamaterial que resuenan en la frecuencia de terahercios. Esta es la frecuencia en la que muchos agentes químicos y biológicos muestran "huellas dactilares, "que potencialmente podría usarse para biosensores.

Las pequeñas antenas actúan como una sola

Los investigadores rociaron estructuras de metamateriales a base de oro directamente sobre películas de seda prefabricadas con plantillas microfabricadas utilizando una técnica de evaporación de máscara de sombra. Rociar el metamaterial sobre las películas de seda flexible creó un compuesto tan flexible que podría envolverse en pequeños, cilindros en forma de cápsula.

Las películas de seda son muy transparentes a frecuencias de THz, por lo que los compuestos de seda metamaterial muestran una fuerte respuesta electromagnética resonante. Cada muestra fabricada tenía 1 centímetro cuadrado y contenía 10, 000 resonadores de metamateriales con una respuesta resonante única en las frecuencias deseadas.

Según Fiorenzo Omenetto, el equipo de investigación compara el concepto con "un tipo de antena muy peculiar; en realidad, muchas antenas pequeñas que se comportan como una sola. El compuesto de metamaterial de seda es sensible a las propiedades dieléctricas del sustrato de seda y puede monitorear la interacción entre la seda y el ambiente local. Por ejemplo, el metamaterial podría indicar cambios en un sustrato de seda biorreactivo que ha sido dopado con proteínas o enzimas ".

La adición de un sustrato biológico puro como la seda al metamaterial de oro agrega una inmensa latitud y oportunidad para aplicaciones imprevistas. dice el profesor Richard Averitt, uno de los colaboradores de Omenetto de la Universidad de Boston y experto en metamateriales.

La respuesta de resonancia podría usarse como una firma electromagnética implantable para agentes de contraste o aplicaciones de seguimiento biológico, dice el coautor Hu Tao, un ex estudiante de posgrado de la Universidad de Boston que ahora es un asociado postdoctoral en el laboratorio de Omenetto.

In Situ Bio-Sensing

Para demostrar el concepto, Los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos in vitro que examinaron la respuesta electromagnética de los metamateriales de seda cuando se implantaron bajo finas láminas de tejido muscular. Descubrieron que los metamateriales conservaban sus nuevas propiedades de resonancia mientras estaban implantados. El mismo proceso podría adaptarse fácilmente para fabricar metamateriales de seda en otras frecuencias, según Tao.

"Nuestro enfoque ofrece una gran promesa para aplicaciones como la biodetección in situ con dispositivos médicos implantados y la transmisión de información médica desde el interior del cuerpo humano, ", dice Omenetto." Imagine los beneficios de controlar la tasa de administración de fármacos desde un stent cardíaco liberador de fármacos, haciendo un absorbente perfecto que se puede implantar para atacar el tejido enfermo por calor, o envolver un 'manto de invisibilidad' alrededor de un órgano para examinar el tejido detrás de él ".