En la cursi película de ciencia ficción de 1966 "Viaje fantástico, "Los científicos miniaturizan un submarino con ellos mismos dentro y viajan a través del cuerpo de un colega para romper un coágulo de sangre potencialmente fatal. Correcto. Microhumanos aparte, imagina la inflamación que causaría el submarino de metal.

Idealmente, Los dispositivos médicos inyectables o implantables no solo deben ser pequeños y eléctricamente funcionales, deben ser suaves como los tejidos corporales con los que interactúan. Los científicos de dos laboratorios de UChicago se propusieron ver si podían diseñar un material con esas tres propiedades.

El material que se les ocurrió, publicado en línea el 27 de junio de 2016, en Materiales de la naturaleza , forma la base de un ingenioso dispositivo inyectable activado por luz que eventualmente podría usarse para estimular las células nerviosas y manipular el comportamiento de músculos y órganos.

"La mayoría de los materiales tradicionales para implantes son muy rígidos y voluminosos, especialmente si quieres hacer una estimulación eléctrica, "dijo Bozhi Tian, un profesor asistente de química cuyo laboratorio colaboró ​​con el del neurocientífico Francisco Bezanilla en la investigación.

El nuevo material, a diferencia de, es suave y diminuta:partículas de unos pocos micrómetros de diámetro (mucho menos que el ancho de un cabello humano) que se dispersan fácilmente en una solución salina para que puedan inyectarse. Las partículas también se degradan naturalmente dentro del cuerpo después de unos meses, por lo que no se necesitaría cirugía para extirparlos.

'Esponja' a nanoescala

Cada partícula está construida con dos tipos de silicio que juntos forman una estructura llena de poros a nanoescala, como una pequeña esponja. Y como una esponja es blando, de cien a mil veces menos rígido que el conocido silicio cristalino que se utiliza en los transistores y las células solares. "Es comparable a la rigidez de las fibras de colágeno de nuestro cuerpo, "dijo Yuanwen Jiang, Estudiante de posgrado de Tian. "Así que estamos creando un material que iguala la rigidez del tejido real".

El material constituye la mitad de un dispositivo eléctrico que se crea a sí mismo espontáneamente cuando una de las partículas de silicio se inyecta en un cultivo celular. o, finalmente, un cuerpo humano. La partícula se adhiere a una célula, haciendo una interfaz con la membrana plasmática de la célula. Esos dos elementos juntos —membrana celular más partícula— forman una unidad que genera corriente cuando la luz incide sobre la partícula de silicio.

"No es necesario inyectar todo el dispositivo; solo necesita inyectar un componente, "João L. Carvalho-de-Souza, El postdoctorado de Bezanilla dijo. "Esta conexión de una sola partícula con la membrana celular permite la generación suficiente de corriente que podría usarse para estimular la célula y cambiar su actividad. Después de lograr su objetivo terapéutico, el material se degrada naturalmente. Y si quieres volver a hacer terapia, haces otra inyección ".

Los científicos construyeron las partículas mediante un proceso que llaman nano-fundición. Fabrican un molde de dióxido de silicio compuesto por canales diminutos, "nanoalambres", de unos siete nanómetros de diámetro (menos de 10, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano) conectados por "micropuentes" mucho más pequeños. En el molde inyectan gas silano, que llena los poros y canales y se descompone en silicio.

Y aquí es donde las cosas se ponen particularmente astutas. Los científicos explotan el hecho de que cuanto más pequeño es un objeto, cuanto más dominan los átomos de su superficie sus reacciones a lo que está a su alrededor. Los micropuentes son diminutos, por lo que la mayoría de sus átomos están en la superficie. Estos interactúan con el oxígeno que está presente en el molde de dióxido de silicio, creando micro-puentes hechos de silicio oxidado obtenido de materiales disponibles. Los nanohilos mucho más grandes tienen proporcionalmente menos átomos de superficie, son mucho menos interactivos, y siguen siendo principalmente silicio puro.

"Esta es la belleza de la nanociencia, ", Dijo Jiang." Te permite diseñar composiciones químicas simplemente manipulando el tamaño de las cosas ".

Nanoestructura similar a una web

Finalmente, el molde se disuelve. Lo que queda es una estructura en forma de red de nano-cables de silicio conectados por micro-puentes de silicio oxidado que pueden absorber agua y ayudar a aumentar la suavidad de la estructura. El silicio puro conserva su capacidad de absorber la luz.

Los científicos han agregado las partículas a las neuronas en cultivo en el laboratorio, arrojó luz sobre las partículas, y visto el flujo de corriente hacia las neuronas que activa las células. El siguiente paso es ver qué sucede en los animales vivos. Están particularmente interesados ​​en estimular los nervios del sistema nervioso periférico que se conectan a los órganos. Estos nervios están relativamente cerca de la superficie del cuerpo, para que la luz de longitud de onda del infrarrojo cercano pueda llegar a ellos a través de la piel.

Tian imagina el uso de dispositivos activados por luz para diseñar tejido humano y crear órganos artificiales para reemplazar los dañados. En la actualidad, los científicos pueden fabricar órganos diseñados con la forma correcta pero no con la función ideal.

Para que un órgano construido en laboratorio funcione correctamente, necesitarán poder manipular células individuales en el tejido diseñado. El dispositivo inyectable permitiría a un científico hacer eso, ajustando una celda individual usando un rayo de luz bien enfocado como un mecánico que alcanza un motor y gira un solo perno. La posibilidad de hacer este tipo de biología sintética sin ingeniería genética es tentadora.

"Nadie quiere que se altere su genética, "Dijo Tian." Puede ser arriesgado. Existe la necesidad de un sistema no genético que aún pueda manipular el comportamiento celular. Este podría ser ese tipo de sistema ".

El estudiante graduado de Tian, ​​Yuanwen Jiang, hizo el desarrollo y la caracterización del material del proyecto. La parte biológica de la colaboración se realizó en el laboratorio de Francisco Bezanilla, la profesora Lillian Eichelberger Cannon de Bioquímica y Biología Molecular, por el postdoctorado João L. Carvalho-de-Souza. Ellos eran, dijo Tian, los "héroes" de la obra.