En la naturaleza es habitual encontrar estructuras que combinan material tanto blando como duro. Estas estructuras son responsables de diversas propiedades mecánicas y funciones de los sistemas biológicos. Como ejemplo típico, la columna vertebral humana posee pilas alternas de huesos duros y discos intervertebrales blandos, que es una arquitectura esencial que sostiene el cuerpo humano mientras mantiene la flexibilidad del cuerpo.

Imitar la estructura blanda y dura de la naturaleza puede, en principio, inspirar el diseño de materiales y dispositivos artificiales, como actuadores y robots. Sin embargo, la realización de estas estructuras ha sido extremadamente desafiante, especialmente a microescala, donde la integración y manipulación de materiales se vuelven extremadamente menos prácticas.

Con el objetivo de avanzar en materiales biomiméticos a microescala, el equipo de investigación dirigido por el Dr. Yufeng Wang del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU) ha desarrollado un nuevo método para crear superestructuras a microescala, llamadas MicroSpine, que poseen propiedades blandas y Materiales duros que imitan la estructura de la columna y pueden actuar como microactuadores con propiedades de transformación de forma. Este avance, publicado en Science Advances , se logró mediante ensamblaje coloidal, un proceso simple en el que las nanopartículas y micropartículas se organizan espontáneamente en patrones espaciales ordenados.

Muchos organismos biológicos, desde mamíferos hasta artrópodos y microorganismos, contienen estructuras de componentes duros y blandos integrados sinérgicamente. Estas estructuras existen en diferentes longitudes, desde micrómetros hasta centímetros, y representan las funciones mecánicas características de los sistemas biológicos. También han estimulado la creación de materiales y dispositivos artificiales, como actuadores y robots, que cambian de forma, se mueven o actúan según señales externas.

Aunque las estructuras blandas y duras son fáciles de fabricar en la macroescala (milímetro y superior), son mucho más difíciles de realizar en la microescala (micrómetro y inferior). Esto se debe a que resulta cada vez más difícil integrar y manipular componentes mecánicamente distintos a menor escala. Los métodos de fabricación tradicionales, como la litografía, enfrentan varias limitaciones cuando intentan crear componentes a pequeña escala utilizando estrategias de arriba hacia abajo. Por ejemplo, un bajo rendimiento puede ocurrir porque los procesos de fabricación a pequeña escala son más complejos y requieren mayor precisión, lo que puede aumentar el riesgo de defectos y errores en el producto final.

Para afrontar el desafío, el Dr. Wang y su equipo adoptaron un enfoque diferente, llamado ensamblaje coloidal. Los coloides son partículas diminutas de 1/100 del tamaño del cabello humano y pueden estar hechas de diversos materiales. Cuando se diseñan adecuadamente, las partículas pueden interactuar entre sí, ensamblando espontáneamente en superestructuras ordenadas.

Como método ascendente, el ensamblaje coloidal es ventajoso para crear estructuras a microescala porque permite un control preciso sobre la creación de las estructuras deseadas a partir de varios bloques de construcción, con un mayor rendimiento. Sin embargo, la dificultad es cómo guiar las partículas para que se unan a la estructura blanda y dura deseada.

Utilizando la columna vertebral como base para el diseño, el equipo ha inventado nuevas partículas derivadas de estructuras organometálicas (MOF), un material emergente que puede ensamblarse con alta direccionalidad y especificidad. Al ser también el componente duro, estas partículas de MOF pueden combinarse con gotas de líquido blando para formar cadenas lineales. Los componentes duros y blandos toman posiciones alternas en la cadena, imitando la estructura de la columna, es decir, la MicroSpine.

"También introducimos un mecanismo mediante el cual el componente blando de la cadena puede expandirse y encogerse cuando MicroSpine se calienta o enfría, por lo que puede cambiar de forma de manera reversible", explicó Dengping Lyu, primer autor del artículo, así como el Ph. D. Candidato en el Departamento de Química de HKU.

Utilizando el sistema MicroSpine, el equipo también demostró varios modos de actuación precisos cuando las partes blandas de la cadena se modifican selectivamente. Además, las cadenas se han utilizado para el encapsulado y liberación de objetos invitados, controlado únicamente por temperatura.

La realización de estas funciones es importante para el desarrollo futuro del sistema, ya que podría conducir a la creación de microrobots inteligentes capaces de realizar tareas sofisticadas a microescala, como la administración de fármacos, la detección localizada y otras aplicaciones. Los componentes a microescala, altamente uniformes y estructurados con precisión, podrían usarse para crear sistemas de administración de fármacos o sensores más eficaces que puedan detectar moléculas específicas con alta sensibilidad y precisión.

El equipo de investigación cree que esta tecnología representa un paso importante hacia la creación de dispositivos y máquinas complejos a microescala. Según el Dr. Wang, "si se piensa en maquinaria moderna, como los automóviles, se ensamblan con decenas de miles de piezas diferentes. Nuestro objetivo es lograr el mismo nivel de complejidad utilizando diferentes piezas coloidales". Inspirándose en la naturaleza, el equipo de investigación espera diseñar más sistemas biomiméticos que puedan realizar tareas complejas a microescala y más allá.

Más información: Dengping Lyu et al, Superestructuras termosensibles biomiméticas mediante coensamblaje coloidal blando y duro, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh2250

Información de la revista: Avances científicos

Proporcionado por la Universidad de Hong Kong