Microalgas magnéticas con la misión de convertirse en robots
Potencial apasionante para futuras innovaciones en biomedicina y otros campos
Científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes desarrollaron una microalga verde unicelular recubierta de material magnético. Este robot en miniatura se puso a prueba: ¿sería capaz la microalga con su recubrimiento magnético de nadar por espacios estrechos y, además, en un fluido viscoso que imita los que se encuentran en el cuerpo humano? ¿Sería capaz el diminuto robot de abrirse paso en estas difíciles condiciones?
El equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) de Stuttgart desarrolló un micronadador biohíbrido recubierto de material magnético, cuya capacidad natatoria no se ve afectada en gran medida por el revestimiento. El equipo del Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS publicó su trabajo en la revista "Matter", que abarca una amplia gama de investigaciones en ciencia de materiales.
En la naturaleza, las microalgas unicelulares de diez micras de tamaño son fantásticas nadadoras, propulsadas por sus dos flagelos delanteros en forma de látigo. Sin embargo, no estaba claro qué pasaría si los científicos cubrieran las algas con una fina capa del polímero natural quitosano (para una buena adherencia) mezclado con nanopartículas magnéticas. ¿Seguiría siendo capaz el diminuto nadador de abrirse paso por espacios reducidos y, por si eso no fuera suficiente desafío, de atravesar un líquido viscoso con una densidad similar a la del moco?
Los científicos descubrieron que los micronadadores basados en algas verdes apenas se veían afectados por la carga adicional. Con sus flagelos, que realizan un movimiento de sacudida de pecho, las algas se catapultaron hacia delante como una bala a toda velocidad. A pesar del recubrimiento, mantuvieron su velocidad de nado tras la magnetización, demostrando una velocidad media de 115 micrómetros por segundo (unos 12 largos por segundo). En comparación: un nadador olímpico como Michael Phelps puede alcanzar una velocidad de 1,4 longitudes corporales por segundo. Obsérvese que el alga no es más que una célula sin patas ni pies.
Birgül Akolpoglu y Saadet Fatma Baltaci, codirectores del estudio, son científicos del Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS. Hace unos años investigaron cómo se podían controlar magnéticamente micro nadadores bacterianos en espacios fluídicos para aplicaciones de administración de fármacos. Ahora han centrado su atención en las microalgas. Su objetivo era funcionalizar la superficie de estos organismos unicelulares con un material magnético que permitiera dirigirlos en la dirección deseada, convirtiendo las microalgas en microrobots.
El recubrimiento de las células sólo llevó unos minutos y, al final, nueve de cada diez algas se cubrieron con éxito con las nanopartículas magnéticas. El equipo probó primero su robot biohíbrido nadando en un líquido tan fino como el agua. Utilizando campos magnéticos externos, pudieron controlar la dirección en la que nadaban las microalgas. A continuación, los investigadores dirigieron su robot a lo largo de cilindros en miniatura impresos en 3D, creando un entorno muy confinado en el que la dimensión mayor era sólo tres veces el tamaño de las diminutas microalgas. Para comprobar si la dirección era correcta, el equipo instaló dos sistemas diferentes: uno con bobinas magnéticas y otro con imanes permanentes alrededor de su microscopio. Crearon un campo magnético uniforme y cambiaron repetidamente su dirección.
"Descubrimos que los biohíbridos microalgales navegan por microcanales impresos en 3D de tres maneras: retrocediendo, cruzando y cruzando magnéticamente. Sin guía magnética, las algas a menudo se quedaban atascadas y retrocedían hasta el principio. Pero con el control magnético, se movían con más fluidez, evitando los límites", explica Birgül Akolpoglu, coautor de la publicación, sobre su estudio de prueba de concepto. "La guía magnética ayudó a los biohíbridos a alinearse con la dirección del campo, lo que demuestra su potencial para navegar en espacios reducidos, algo así como dotarlos de un pequeño GPS".
En el siguiente paso, el equipo aumentó la viscosidad del fluido y volvió a enviar a sus microrobots por los estrechos canales.
"Queríamos comprobar cómo se comportarían nuestros nadadores en algo similar a la mucosidad. Descubrimos que la viscosidad afecta a la forma de nadar de los biohíbridos microalgales. Una mayor viscosidad los ralentiza y cambia su forma de nadar hacia delante. Cuando aplicamos el campo magnético, los nadadores oscilaron y avanzaron en zigzag. Esto demuestra que el ajuste de la viscosidad y la alineación magnética puede optimizar la navegación de los microrobots en entornos complejos", añade Baltaci.
"Nuestra visión es utilizar los microrobots en entornos complejos y pequeños muy confinados, como los que se encuentran en nuestros tejidos. Nuestros hallazgos abren las puertas a aplicaciones como la administración selectiva de fármacos, proporcionando una solución biocompatible para tratamientos médicos con un potencial apasionante para futuras innovaciones en biomedicina y más allá", concluye el equipo.
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