Los cilios artificiales algún día podrían alimentar dispositivos de diagnóstico

(Noticias de Nanowerk) Los cilios son los ujieres trabajadores del cuerpo. Estos vellos microscópicos, que mueven fluidos con latidos rítmicos, son responsables de empujar el líquido cefalorraquídeo hacia el cerebro, eliminar la mucosidad y los desechos de los pulmones y mantener limpios otros órganos y tejidos.

Los cilios son una maravilla de la ingeniería y han resultado difíciles de reproducir en aplicaciones de ingeniería, especialmente a microescala.

Los investigadores de Cornell ahora han desarrollado un sistema de cilios artificiales de tamaño micro utilizando componentes a base de platino que pueden controlar el movimiento de líquidos en tal escala. La tecnología podría algún día habilitar dispositivos de diagnóstico portátiles de bajo costo para analizar muestras de sangre, manipular células o ayudar en los procesos de microfabricación.

El artículo del grupo, publicado en Naturaleza («Metasuperficies de cilios para la manipulación microfluídica programable electrónicamente»). El autor principal es el estudiante graduado Wei Wang. Un dispositivo típico contiene una «alfombra» de alrededor de mil cilios artificiales. A medida que oscila el voltaje en cada cilio, su superficie se oxida y se reduce periódicamente, lo que hace que el cilio se flexione hacia adelante y hacia atrás, lo que le permite bombear fluido a decenas de micrones por segundo. (Imagen: Noël Heaney, Universidad de Cornell)

«Hay muchas formas de crear cilios artificiales que respondan a las fuerzas de la luz, magnéticas o electrostáticas», dijo Wang. «Pero somos los primeros en usar nuestro nuevo nano-accionador para demostrar cilios artificiales que se controlan individualmente».

El proyecto, dirigido por el autor principal del artículo, Itai Cohen, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, se basa en un actuador eléctrico basado en platino, la parte del dispositivo que se mueve, que su grupo creó previamente. , para permitir que este robot microscópico funcione. La mecánica de estas patas traseras curvas es similar, pero la función y los usos del sistema de cilios son diferentes y bastante flexibles.

«Lo que estamos mostrando aquí», dijo Cohen, «es que una vez que puedes abordar estos cilios individualmente, puedes manipular las corrientes a voluntad. Puede crear múltiples trayectorias separadas, puede crear corrientes circulares, puede crear transportes o corrientes que se dividen en dos caminos y luego se combinan nuevamente. Puede obtener líneas de flujo en tres dimensiones. Todo es posible.»

«Fue muy difícil usar las plataformas existentes para crear cilios que son pequeños, funcionan en el agua, son eléctricamente direccionables y pueden integrarse con electrónica interesante», dijo Cohen. “Este sistema resuelve estos problemas. Y con este tipo de plataforma, esperamos desarrollar la próxima ola de dispositivos de manipulación de microfluidos”.

Un dispositivo típico consta de un chip que contiene 16 unidades cuadradas con 8 conjuntos de cilios por unidad y 8 cilios por conjunto, cada uno de los cuales tiene una longitud de unas 50 micras, lo que da como resultado una «alfombra» de unos mil cilios artificiales. A medida que oscila el voltaje en cada cilio, su superficie se oxida y se reduce periódicamente, lo que hace que el cilio se flexione hacia adelante y hacia atrás, lo que le permite bombear fluido a decenas de micrones por segundo. Se pueden activar diferentes matrices de forma independiente, creando una combinación infinita de patrones de flujo que imitan la flexibilidad observada en sus contrapartes biológicas.

Como beneficio adicional, el equipo creó un dispositivo de cilios equipado con un circuito de reloj complementario de metal-óxido-semiconductor (CMOS), esencialmente un «cerebro» electrónico que permite que los cilios funcionen sin estar atados a un sistema informático tradicional. Esto abre la puerta al desarrollo de una variedad de pruebas de diagnóstico de bajo costo que podrían realizarse en el campo.

«Se puede imaginar en el futuro a la gente tomando este diminuto dispositivo centímetro por centímetro, poniéndole una gota de sangre y haciendo todas las pruebas», dijo Cohen. «No tenías que tener una bomba elegante, no tenías que tener ningún equipo, simplemente lo ponías literalmente a la luz del sol y funcionaba. Podría ser del orden de $ 1 a $ 10 «.