Crean cilios flexibles y biocompatibles que pueden comandarse con un imán

Científicos obtienen filamentos de nanopartículas de hierro recubiertas con un polímero mediante la exposición del material a un campo magnético a temperatura controlada. Este producto puede tener diversas aplicaciones, entre ellas la de transportar sustancias hasta el interior de las células y orientar fluidos

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Investigadores del Instituto de Química de la Universidad de Campinas (IQ-Unicamp), en Brasil, desarrollaron una técnica sin plantillas o moldes para fabricar cilios de diferentes dimensiones, que pueden imitar funciones biológicas y tener múltiples aplicaciones: desde orientar fluidos a través de microcanales hasta transportar materiales hacia el interior de las células, por ejemplo. Dichos cilios, sumamente flexibles, están elaboradas a base de nanopartículas de hierro agregadas a un polímero, y su movimiento puede comandarse mediante el empleo de un imán.

Para crear estas nanoestructuras alargadas sin emplear un plantilla, Watson Loh y la posdoctoranda Aline Grein Iankovski recubrieron partículas de hierro (γ-Fe₂O₃, un material conocido como maghemita) con una capa de material polimérico con capacidad para unirse a las partículas. Se trata de un polímero que contiene grupos de ácido fosforoso adaptable a la temperatura, sintetizado en forma personalizada por una empresa del sector. Las estructuras alargadas se forman mediante el control de la temperatura y el empleo de un campo magnético.

“A una temperatura baja, de veintitantos grados, la agregación no se concreta. Y sin el estímulo de un campo magnético, estos materiales se agrupan formando únicamente un coágulo. Es el efecto del campo magnético el que dota al material agrupado de la forma alargada de un cilio”, explica Loh.

Grein Iankovski partió de una dispersión de partículas estables en una solución líquida y tuvo la idea de obtener cilios en el marco de un intento de agregación del material. “Estaba preparando esos filamentos alargados sueltos en una solución y pensé en alterar la dirección del campo: en lugar de orientarlos en paralelo a la placa de vidrio, los puse perpendiculares. Note que, de esa forma, la tendencia indica que migran hacia la superficie del vidrio. Por eso pensé que podría forzarlos a adherirse al vidrio, y así obtendría otro tipo de material, que no estaría suelto, sino que sus movimientos podrían ser ordenados y colaborativos.”

El polímero sensible a la temperatura actúa como un ligando sobre la superficie de la partícula, al impulsar la organización de las nanopartículas en filamentos alargados cuando se calienta la mezcla y se la expone al campo magnético, según explica la investigadora. Esta transición transcurre a una temperatura situada por debajo de los 37 °C, es decir, biológicamente compatible, y los cilios magnéticos resultantes exhiben una increíble flexibilidad. Al aumentar la concentración de las nanopartículas, las longitudes de las nanoestructuras pueden variar de 10 a 100 micrones (μm).

“La ventaja de no emplear una plantilla, o un template, como solemos decirle, reside en que no estamos sujetos a las limitaciones de ese método, la de la dimensión, por ejemplo. En este caso, para elaborar cilios muy pequeños, sería necesario crear plantillas con huecos minúsculos, que es algo muy trabajoso. De ser necesario ajustar la densidad del recubrimiento y el tamaño de los cilios, habría que fabricar otra plantilla, pues cada espesor distinto de producto final requiere de una horma distinta. Asimismo, el uso de un template le añade una etapa más a la producción de los cilios, que es la elaboración del propio plantilla”, aclara Grein Iankovski, la primera autora del artículo publicado en el The Journal of Physical Chemistry C..

Este trabajo forma parte de un Proyecto Temático que cuenta con el apoyo de la FAPESP y cuya coordinación está cargo de Loh.

“En este Proyecto Temático hay cuatro grupos que investigan de qué manera se organizan las moléculas y las partículas a nivel coloidal, es decir, a un nivel de estructuras sumamente pequeñas. Nuestro abordaje consiste en buscar una manera de controlar estas moléculas para que se agreguen mediante un estímulo externo, originen formas distintas y tengan diversas aplicaciones”, comenta el investigador.

Hechas a medida

Los investigadores remarcan que, tras el retiro del campo magnético, el material permanece agrupado durante un período de al menos 24 horas y luego se disgrega nuevamente. El tiempo que el filamento permanece unido después del retiro del estímulo magnético depende de la temperatura a la que se lo preparó. “De haber sido a una temperatura más elevada, el efecto será más intenso y permanecerá agrupado durante más tiempo fuera del campo magnético”, comenta Grein Iankovski.

De acuerdo con Loh, la reversibilidad del material constituye un punto positivo. “Consideramos que es una ventaja el hecho de poder organizar y desorganizar el material, ‘unir y disgregar’ el sistema. Podemos ajustar la temperatura, el tiempo que permanece agregado, la longitud y la densidad de recubrimiento. Podemos adaptar el material a diversos tipos de usos, organizarlo y modelarlo con objetivos específicos. Pienso que existen infinitas aplicaciones, que se extienden desde la biología hasta la física, y lo propio con la ciencia de materiales.”

Grein Iankovski estima que una de las grandes ventajas de este producto reside en la posibilidad de manipularlo externamente, sin que la herramienta de manipuleo se ubique dentro del sistema donde actúa. “Los filamentos pueden utilizarse para homogeneizar y mover partículas en un microsistema fluido, en microcanales, sencillamente mediante la aproximación externa de un imán. De esta forma, es posible hacer que orienten un fluido, por ejemplo.”

Los cilios pueden también aplicarse en sensores en los cuales las partículas responden al estímulo de una molécula. O incluso para alimentar a organismos vivos microscópicos. “En el límite, es posible alimentar a un microorganismo o a una célula con esos filamentos sueltos, ya que en determinadas condiciones los mismos atraviesan la membrana celular. De este modo, sería posible hacerlos atravesar las membranas y aplicar el campo magnético para manipular sus movimientos dentro de las células”, dice Loh.

El investigador pone de relieve la colaboración de más de diez años con Jean-François Berret, de la Université de Paris, quien trabaja con la misma familia de polímeros para la obtención de materiales alargados y su empleo en el área biomédica. “Estamos abocados a la búsqueda de otros socios para explorar las posibilidades de utilización de los cilios.”

Ahora, los científicos pretenden añadirle un aditivo químico a las nanoestructuras para unir químicamente a las partículas y obtener cilios mecánicamente más resistentes, que puedan mantenerse funcionales durante más tiempo lejos de la exposición a un campo magnético, en caso de que sea deseable esto.

Puede leerse el artículo intitulado Template-Free Preparation of Thermoresponsive Magnetic Cilia Compatible with Biological Conditions en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpcc.0c09089.