Los cilios son maravillas minúsculas, y los científicos finalmente están descubriendo cómo imitarlos

Un pequeño movimiento de un cabello celular microscópico, conocido como cilio, no puede hacer mucho por sí solo. Pero juntas, estas estructuras realizan rutinariamente maravillas biológicas dentro del cuerpo. Los cilios eliminan los patógenos inhalados del tracto respiratorio, transportan el líquido cefalorraquídeo a través de las cavidades cerebrales, transportan los óvulos desde el ovario hasta el útero y drenan la mucosidad del oído medio a la cavidad nasal. Estos diminutos orgánulos extracelulares ejercen un management microfluídico preciso sobre los líquidos que sustentan la vida en el cuerpo. Para comprender mejor cómo funcionan estas maravillas cruciales de la naturaleza, los científicos han estado tratando durante años de imitarlas.

Ahora los investigadores han estado cerca de hacerlo, creando un chip cubierto con cilios artificiales que puede controlar con precisión los pequeños patrones de flujo de fluidos. Los desarrolladores esperan que esta tecnología se convierta en la base de nuevos dispositivos de diagnóstico portátiles. Actualmente, muchas pruebas de laboratorio de diagnóstico consumen mucho tiempo, requieren muchos recursos y requieren un apoyo humano cercano. Un chip cubierto de cilios, dicen los investigadores, podría permitir pruebas de campo que serían más fáciles, baratas y eficientes que las pruebas de laboratorio más pequeñas, además de usar muchas muestras de sangre, orina u otro materials de prueba.

Los seres humanos han logrado espectaculares hazañas de ingeniería a gran escala, pero «todavía estamos un poco atascados en lo que respecta a la ingeniería de máquinas en miniatura», cube Itai Cohen, físico de la Universidad de Cornell y autor principal de un nuevo naturaleza estudio que describe el chip de cilios de su equipo. Los investigadores habían intentado previamente hacer cilios artificiales que funcionaran por medio de presión, luz, electricidad e incluso imanes. Pero quedaba un obstáculo importante: diseñar actuadores extremadamente pequeños, las partes de una máquina que activan el movimiento, que pueden controlarse individualmente o en pequeños grupos en lugar de todos a la vez.

Los investigadores de Cornell superaron ese obstáculo inspirándose en algunas cosas que aprendieron en su trabajo anterior. En agosto de 2020, Guinness World Data reconoció a Cohen y su equipo por diseñar el robotic andante más pequeño del mundo, una máquina que tenía solo una fracción de milímetro de ancho y podía caminar sobre cuatro patas flexibles. Al igual que esas piernas, los nuevos cilios artificiales están hechos de una película delgada nanométrica versatile que puede responder al management eléctrico. Cada cilio tiene una vigésima parte de un milímetro de largo (menos de la mitad de la longitud de un ácaro del polvo) y 10 nanómetros de espesor (más delgado que el orgánulo celular más pequeño) con una tira de platino en un lado y una capa de película de titanio en el otro .

La clave para controlar eléctricamente estos cilios artificiales proviene de su composición metálica. La ejecución de un voltaje positivo bajo a través de un cilio desencadena una reacción química: a medida que pasa una gota de líquido de prueba, el platino electrificado rompe las moléculas de agua dentro de la gota. Esto libera átomos de oxígeno, que se absorben en la superficie del platino. El oxígeno agregado estira la tira, haciendo que se doble en una dirección. Una vez que se invierte el voltaje, el oxígeno sale del platino y el cilio vuelve a su forma unique. “Entonces, al oscilar el voltaje de un lado a otro, puede doblar y desdoblar la tira, lo que generará ondas para impulsar el movimiento”, cube Cohen. Mientras tanto, la película de titanio eléctricamente inerte estabiliza la estructura.

A continuación, los investigadores tuvieron que descubrir cómo modelar una superficie con miles de sus cilios artificiales. Simplemente doblándolas y desdoblándolas una tras otra, estas finas tiras pueden impulsar una cantidad microscópica de fluido en una dirección determinada. Pero para dirigir una gota para que fluya en un patrón más complejo, los investigadores tuvieron que dividir la superficie de su chip en «unidades ciliares» de unas pocas docenas de cilios cada una, con cada unidad controlable individualmente. El equipo de Cornell primero planeó virtualmente un sistema de management, colaborando con investigadores de la Universidad de Cambridge para simular digitalmente en tres dimensiones cómo se movería una gota sobre un chip cubierto de cilios.

Una vez que los investigadores utilizaron estas simulaciones por computadora para verificar los aspectos teóricos de lo que estaban haciendo, procedieron a producir un dispositivo físico. Su chip de un centímetro de ancho está cubierto con unas mil diminutas tiras de platino y titanio, divididas en 16 unidades ciliares de 64 cilios cada una. Debido a que cada unidad está conectada de forma independiente a un sistema de management por computadora, las unidades individuales pueden programarse por separado y luego coordinarse para mover el fluido de prueba en cualquier dirección determinada. Trabajando juntas, las 16 unidades podrían crear combinaciones casi infinitas de patrones de flujo.

El primer dispositivo del equipo puede impulsar gotas en patrones específicos, pero no es tan eficiente como les gustaría a los investigadores. Ahora ya están planeando chips de próxima generación con cilios que tienen más de una «bisagra». Esto les dará una mayor capacidad de flexión, «lo que puede permitirle tener un flujo de fluido mucho más eficiente», cube Cohen.

El estudio «nos iluminó elegantemente sobre cómo se podría realizar un management independiente y direccionable de conjuntos de cilios artificiales a través de señales electrónicas para generar operaciones de microfluidos programables complejas», cube Zuankai Wang, investigador de microfluidos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, que no participó en el estudio. el nuevo estudio. «Con suerte, la producción en masa de dispositivos de diagnóstico de bajo costo sin ataduras podría estar al alcance en los próximos años».

Debido a que la nueva tecnología imita estructuras biológicas, tiene sentido utilizarla en aplicaciones médicas. Los investigadores visualizan un chip cubierto de cilios como base de un dispositivo de diagnóstico que podría analizar cualquier muestra de agua, sangre u orina para encontrar contaminantes o marcadores de enfermedades. Un usuario colocaría una gota de sangre u orina en el chip, y los cilios artificiales transportarían la muestra, junto con cualquier químico o patógeno dentro de ella, de un lugar a otro, lo que le permitiría mezclarse y reaccionar con varios agentes de prueba a medida que se procesa. se mueve Los biosensores integrados en el chip medirían los productos de estas reacciones químicas y luego dirigirían los cilios para manipular aún más el flujo del líquido, lo que permitiría que el chip realice pruebas adicionales para confirmar los resultados. “De esta manera, puedes hacer todos los experimentos de química, en un chip de un centímetro, que normalmente sucedería en un laboratorio de química”, explica Cohen. «El chip también podría funcionar por sí solo, ya que puede usar pequeños paneles solares instalados en el propio chip». Tal dispositivo autoalimentado sería best para usar en el campo.

“Es magnífico cómo han combinado la microelectrónica con la mecánica de fluidos”, cube Manoj Chaudhury, científico de materiales de la Universidad de Lehigh, que no participó en el nuevo estudio. Los investigadores han resuelto un problema esencial, pero hacer realidad el producto resultante requerirá más trabajo, cube Chaudhury. “Cuando diseñan un sistema de reactor para analizar una gota de sangre, tiene que haber estaciones locales en las que incluso tengan que calentar o enfriar la muestra”, cube. «Por lo tanto, sería interesante ver cómo pueden integrar todos estos aspectos en un microrreactor».