Crean cilios artificiales para microrrobots

Los cilios son estructuras biológicas de tamaño micrométrico bastante comunes. Sin ir más lejos, sus característicos movimientos de vibración tridimensionales desempeñan funciones indispensables en el cuerpo. En el cerebro humano, el movimiento ciliar es crucial para la maduración neuronal; en los pulmones, es esencial para la limpieza de las vías respiratorias; y en el sistema reproductivo, los cilios transportan gametos. Por otro lado, los cilios dañados o deteriorados pueden provocar trastornos del desarrollo neurológico, disfunción respiratoria, infertilidad o malformaciones embrionarias.

Unos científicos han creado ahora cilios artificiales a base de hidrogel. El equipo de investigación y desarrollo lo componen investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania; la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong en China; y la Universidad Koç de Estambul en Turquía.

Aplicándoles un campo eléctrico, estos cilios artificiales (microactuadores) pueden moverse individualmente o en grupos.

Cada microactuador, que también podría definirse como un microrrobot, mide tan solo 18 micrómetros de longitud y tiene un diámetro de aproximadamente 2 micrómetros, o sea que es casi tan pequeño como un cilio natural.

El equipo colocó cientos de cilios artificiales sobre un sustrato flexible en forma de lámina y que contiene electrodos integrados. Alrededor de cada cilio, fueron colocados cuatro pequeños electrodos. Al activarse, los electrodos crean un campo eléctrico que provoca el movimiento de los iones dentro del hidrogel. Esta migración controlada de iones es lo que pone en movimiento a los cilios.

Los cilios de hidrogel son tan pequeños que no pueden verse bien con un microscopio óptico convencional. Esta imagen se captó con un microscopio electrónico de barrido, y en ella se aprecia con gran detalle la fina estructura de los microactuadores. (Foto: MPI-IS)

Dependiendo de cómo se utilicen los electrodos, los cilios del hidrogel pueden doblarse o girar. Al activar los electrodos de un lado, se empujan los iones en esa dirección, haciendo que el cilio se doble hacia ese lado. Para que el cilio gire, los cuatro electrodos se activan en secuencia, lo que hace que los iones se muevan en una trayectoria circular. El cilio sigue este movimiento y gira suavemente de manera tridimensional.

“El cuerpo humano depende de las señales eléctricas musculares para controlar la distribución de iones en el tejido muscular, lo que a su vez genera movimiento”, explica Zemin Liu, que encabeza el equipo de investigación y desarrollo. “Inspirados por este principio, desarrollamos hidrogeles impulsados ​​por iones a escala micrométrica. Al igual que el tejido muscular humano, estos hidrogeles se mueven cuando las señales eléctricas estimulan los iones en su interior. En nuestro trabajo, utilizamos solo 1,5 voltios, lo que está por debajo del umbral de la electrólisis en entornos acuosos y es completamente seguro, por ejemplo, dentro del cuerpo humano”.

El equipo probó sus cilios artificiales activándolos más de 330.000 veces. Las diminutas estructuras prácticamente no mostraron signos de desgaste. Este número de ciclos corresponde a aproximadamente un día completo de latido continuo a 5 hercios, aproximadamente la vida útil natural de los cilios reales, los biológicos. Los investigadores también demostraron que sus cilios artificiales pueden funcionar en diferentes tipos de fluidos, incluidos líquidos biológicamente relevantes, como el suero humano y el plasma de ratón.

Esta nueva y asombrosa tecnología, que hace converger la biología y la electrónica de un modo nunca antes visto, puede tener muchas aplicaciones. En el campo médico, se podrían fabricar sistemas artificiales intracorporales para reemplazar o ayudar a los cilios dañados en el cuerpo humano. Fuera del campo médico, los cilios artificiales podrían ser la tecnología base para toda una nueva generación de microrrobots y también para otros microdispositivos complejos de muy diversos tipos.

Liu y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus cilios artificiales en la revista académica Nature, bajo el título “3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators”. (Fuente: NCYT de Amazings)