Investigadores del Instituto de Química de la Universidad de Campinas (IQ-UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil, han desarrollado una técnica sin plantillas para fabricar cilios de diferentes tamaños que imitan funciones biológicas y tienen múltiples aplicaciones, desde dirigir fluidos en microcanales hasta cargar material en una celda, por ejemplo. Los cilios altamente flexibles se basan en nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de polímero, y su movimiento puede ser controlado por un imán.

En naturaleza, Los cilios son estructuras microscópicas parecidas a pelos que se encuentran en grandes cantidades en la superficie de ciertas células, provocando corrientes en el fluido circundante o, en algunos protozoos y otros organismos pequeños, proporcionando propulsión.

Para fabricar las nanoestructuras alargadas sin utilizar una plantilla, Watson Loh y la becaria postdoctoral Aline Grein-Iankovski recubrieron partículas de óxido de hierro (γ-Fe ₂ O ₃ , conocida como maghemita) con una capa de un polímero que contiene grupos de ácido fosfónico termorresponsables y sintetizado a medida por una empresa especializada. La técnica aprovecha la afinidad de unión de los grupos de ácido fosfónico a las superficies de óxido metálico, fabricar los cilios mediante control de temperatura y uso de un campo magnético.

"Los materiales no se unen a temperatura ambiente o por ahí, y formar un grupo sin el estímulo de un campo magnético, "Loh explicó." Es el efecto del campo magnético lo que les da la forma alargada de un cilio ".

Grein-Iankovski comenzó con partículas estables en solución y tuvo la idea de obtener los cilios durante un intento de agregar el material. "Estaba preparando filamentos alargados sueltos en solución y pensé en cambiar el campo de dirección, ", recordó." En lugar de orientarlos en paralelo al portaobjetos de vidrio, Los coloqué en una posición perpendicular y descubrí que luego tendían a migrar a la superficie del vidrio. Me di cuenta de que si los obligaba a pegarse al cristal, Podría obtener un tipo de material diferente que no fuera suelto:su movimiento sería ordenado y colaborativo ".

El polímero termorresistente se une a la superficie de las nanopartículas y las organiza en filamentos alargados cuando la mezcla se calienta y se expone a un campo magnético. La transición ocurre a una temperatura biológicamente compatible (alrededor de 37 ° C). Los cilios magnéticos resultantes son "notablemente flexibles", ella añadió. Al aumentar la concentración de las nanopartículas, su longitud puede variar de 10 a 100 micrones. Un micrón (μm) es una millonésima parte de un metro.

"La ventaja de no utilizar una plantilla es que no está sujeta a las limitaciones de este método, como el tamaño, por ejemplo, "Grein-Inakovski explicó." En este caso, para producir cilios muy pequeños tendríamos que crear plantillas con agujeros microscópicos, lo cual sería extremadamente laborioso. Los ajustes a la densidad de la capa y el tamaño de los cilio requerirían nuevas plantillas. Se debe utilizar una plantilla diferente para cada grosor de producto final. Es más, el uso de una plantilla agrega otra etapa a la producción de cilios, que es la fabricación de la propia plantilla ".

Grein-Iankovski es el autor principal de un artículo publicado en La Revista de Química Física C sobre la invención, que fue parte de un Proyecto Temático apoyado por FAPESP, con Loh como investigador principal.

"El Proyecto Temático involucra a cuatro grupos que están investigando cómo se organizan las moléculas y partículas a nivel coloidal, es decir, a nivel de estructuras muy pequeñas. Nuestro enfoque es tratar de encontrar formas de controlar estas moléculas para que se agreguen en respuesta a un estímulo externo, dando lugar a diferentes formas con una gama de usos diferentes, "Dijo Loh.

Reversibilidad

Una vez eliminado el campo magnético, el material permanece agregado durante al menos 24 horas. Luego se desagrega a una velocidad que depende de la temperatura a la que se preparó. "Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto más intenso es el efecto y más tiempo permanece agregado fuera del campo magnético, "Dijo Grein-Iankovski.

Según Loh, la reversibilidad del material es un punto positivo. "En nuestra opinión, ser capaz de organizar y desorganizar el material, para 'encender y apagar el sistema', es una ventaja, "Loh dijo." Podemos ajustar la temperatura, cuánto tiempo permanece agregado, longitud del cilio, y densidad del pelaje. Podemos personalizar el material para diferentes tipos de uso, organizarlo y darle forma para propósitos específicos. Creo que las aplicaciones potenciales son innumerables, de usos biológicos a físicos, incluidas las aplicaciones de la ciencia de los materiales ".

Otra gran ventaja, Grein-Iankovski agregado, es la posibilidad de manipular el material externamente, donde la herramienta utilizada para hacerlo no está dentro del sistema. "Los filamentos se pueden utilizar para homogeneizar y mover partículas en un microsistema de fluidos, en microcanales, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, por ejemplo."

The cilia can also be used in sensors, in which the particles respond to stimuli from a molecule, or to feed microscopic living organisms. "Ultimately it's possible to feed a microorganism or cell with loose cilia, which cross the cell membrane under certain conditions. They can be made to enter a cell, and a magnetic field is applied to manipulate their motion inside the cell, " Loh said.

For more than ten years, Loh has collaborated with Jean-François Berret at Paris Diderot University (Paris 7, France) in research on the same family of polymers to obtain elongated materials for use in the biomedical field. "We're pursuing other partnerships to explore other possible uses of the cilia, " él dijo.

The scientists now plan to include a chemical additive in the nanostructures that will bind the particles chemically, obtaining cilia with a higher mechanical strength that remain functional for longer when not exposed to a magnetic field, if this is desirable.