Los fluidos fibrosos especializados fluyen a través de las articulaciones humanas y ayudan a constituir sustancias como el moco. Estos fluidos contienen largos moléculas flexibles como polímeros o proteínas, dándoles la capacidad de estirarse y absorber los golpes.

Sin embargo, Los científicos aún tienen que comprender completamente cómo estos fluidos enigmáticos interactúan con estructuras biológicas a pequeña escala. Las estructuras de particular interés son los cilios:pequeñas proyecciones similares a pelos adheridas a la membrana celular, que ondulan para realizar funciones tales como eliminar contaminantes de las vías respiratorias. Estas interacciones fluido-estructura son importantes para comprender con precisión cómo se mueven los cilios para realizar sus funciones biológicas. Sin embargo, estas interacciones ocurren en una escala tan pequeña que ha sido difícil estudiarlas experimentalmente.

Ahora, Los investigadores de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa de la Universidad de Graduados (OIST) han identificado algunas características clave de cómo fluyen estos llamados fluidos viscoelásticos alrededor de los cilios. Los fluidos viscoelásticos son viscosos, como melaza, así como elástico. El estudio, publicado en Pequeña , sugiere que es la elasticidad de los fluidos la que impulsa el movimiento modelado de los cilios, dicen los investigadores.

Entrar en el mundo de los muy pequeños

Para configurar su experimento, los científicos excavaron microcanales en vidrio de sílice fundido. Estos canales contenían uno o dos postes cilíndricos flexibles unidos a un lado del canal, que representaba cilios.

Luego, los científicos utilizaron bombas de jeringa para impulsar una solución viscoelástica a través de los microcanales de vidrio a una velocidad controlada con precisión. El fluido experimental contenía micelas parecidas a gusanos (también llamados polímeros vivos), que son estructuras flexibles del tamaño de una micra que imitan el movimiento de moléculas biológicas presentes en los fluidos corporales humanos.

Los investigadores tomaron una serie de medidas, utilizando tres microscopios separados de alta potencia con diferentes técnicas ópticas para capturar el comportamiento y las propiedades del fluido a medida que interactúa con los postes.

Primero, Los científicos utilizaron un método llamado velocimetría de imágenes de micropartículas para registrar la velocidad del fluido a medida que fluía alrededor de los postes. Observaron que el fluido se movía preferentemente alrededor de un lado de los postes, dejando fluido prácticamente estacionario en el otro lado. A ciertas velocidades de flujo, sin embargo, el fluido en el lado estacionario comenzó a fluir con un movimiento espasmódico.

Mientras el fluido se movía el poste comenzó a oscilar. "Un aspecto importante del estudio fue nuestra capacidad para rastrear cuidadosamente las oscilaciones resultantes de las publicaciones en función del tiempo utilizando microscopía de video de alta velocidad, "dijo el Dr. Simon Haward, el líder de grupo de la unidad.

Usando un método llamado microscopía de luz polarizada de alta velocidad, también pudieron rastrear las regiones alrededor de los postes cilíndricos donde las micelas parecidas a gusanos se estiraban elásticamente, y correlacionar la cantidad de estiramiento con la posición de los postes.

Mientras interactúa con el fluido, dos postes ubicados uno cerca del otro comenzaron a oscilar en sincronía casi perfecta, sugiriendo que la elasticidad del fluido está mediando el latido sincrónico de los cilios de una célula, dicen los investigadores.

"La dinámica de tiempo sincrónica de las publicaciones es completamente impartida por el propio fluido, "dijo el Dr. Cameron Hopkins, el primer autor del estudio. "Sin embargo, esto solo ocurre bajo condiciones específicas. Si aumentamos el caudal y por tanto la influencia de la elasticidad del fluido, luego perdemos la regularidad de las oscilaciones y se vuelve errático ".

Desarrollando nuevos modelos biológicos

Avanzando los científicos esperan estudiar cómo el cambio de flexibilidad y distancias entre los postes cilíndricos afectará su comportamiento. Hopkins y sus colegas también esperan repetir el experimento en un sistema más grande con hasta veinte postes cilíndricos para emular una serie de cilios.

"Nuestra configuración experimental actual es una geometría idealizada; por supuesto, los sistemas biológicos reales son mucho más complicados, "dijo la profesora Amy Shen, el jefe de la Unidad de Micro / Bio / Nanofluídica. "Este modelo actual es un trampolín hacia algo más complejo y biológicamente más relevante".

Los investigadores esperan que la investigación adicional ayude a esclarecer la física de lo muy pequeño, y quizás proporcione información sobre los movimientos dinámicos que ocurren dentro de nuestras mismas células.