5 de Agosto de 2022
Biotecnología

Chips con cilios artificiales

Un nuevo chip recubierto de cilios podría revolucionar el diagnóstico mediante equipos portátiles.

Chip recubierto con cientos de cilios artificiales. [Crédito: Wei Wang/Qingkun Liu]

El diminuto movimiento de un cilio, una especie de pelo celular microscópico, apenas provoca un cambio en su poseedor. Pero, si se mueven todas juntas, estas estructuras logran auténticas hazañas biológicas dentro del organismo. Los cilios eliminan los patógenos inhalados que han llegado al aparato respiratorio, transportan el líquido cefalorraquídeo a través de las cavidades cerebrales, empujan los óvulos del ovario al útero y drenan la mucosidad del oído medio a la cavidad nasal. Estos diminutos orgánulos extracelulares ejercen un control microfluídico preciso sobre los líquidos vitales del organismo. Para entender mejor cómo funcionan estas maravillas de la naturaleza, muchos han intentado imitarlas.

Ahora se está más cerca que nunca de conseguirlo. Un equipo compuesto por varios investigadores ha creado un chip cubierto de cilios artificiales. Con él pueden controlar con precisión los minúsculos patrones de flujo de los fluidos. Los desarrolladores esperan que esta técnica se convierta en la base de nuevos dispositivos portátiles de diagnóstico. En la actualidad, muchas pruebas diagnósticas de laboratorio consumen mucho tiempo, recursos y precisan de la intervención humana. Un chip cubierto de cilios permitiría realizar esas pruebas de una forma más sencilla, barata y eficiente. Además, las muestras que se necesitarían de sangre, orina u otro material podrían ser mucho menores.

Los humanos hemos logrado espectaculares hazañas tecnológicas a gran escala, pero «no estamos al mismo nivel en lo referente al diseño de máquinas en miniatura», señala Itai Cohen, físico de la Universidad Cornell y principal autor del estudio, publicado en Nature, en el que se describe el chip recubierto con cilios que ha desarrollado su equipo. Anteriormente, intentaron crear cilios artificiales que funcionaran gracias a la presión, la luz, la electricidad e incluso imanes. Pero les quedaba por resolver un gran obstáculo: el diseño de minúsculos activadores (las piezas que activan el movimiento de una máquina) que pudieran controlarse individualmente o en pequeños grupos, en lugar de todos a la vez.

Los investigadores de Cornell resolvieron el problema inspirándose en algunos aspectos de su trabajo previo. En agosto de 2020, el Libro Guinness de los Récords reconoció a Cohen y a su equipo por diseñar el robot andante más pequeño del mundo. Su máquina, cuyo tamaño era tan solo de una fracción de un milímetro, caminaba sobre cuatro patas flexibles. De una forma parecida, los nuevos cilios artificiales están hechos de una película flexible de un nanómetro de grosor que puede responder al control eléctrico. Cada cilio mide una veinteava parte de un milímetro de largo (menos de la mitad de lo que mide un ácaro) y diez nanómetros de grosor (más delgado que el más pequeño de los orgánulos celulares). Uno de sus lados está recubierto con una tira de platino y el otro con una película de titanio.

La clave para controlar eléctricamente estos cilios artificiales reside en su composición metálica. Al aplicar un voltaje positivo bajo a través de un cilio, se desencadena una reacción química: cuando se hace pasar una gota de líquido de prueba, el platino electrificado rompe las moléculas de agua. Esto libera los átomos de oxígeno que serán absorbidos por la superficie de platino. El oxígeno añadido estira la tira y hace que esta se doble en una dirección. Cuando se invierte el voltaje (pasa de positivo a negativo) el oxígeno sale del platino y el cilio recupera la forma original. Así lo explica Cohen: «Invirtiendo el voltaje, se puede doblar y desdoblar la tira, lo que genera ondas con las que se impulsará el movimiento». Mientras tanto, la película de titanio, eléctricamente inerte, estabiliza la estructura.

El siguiente paso era crear una superficie con miles de cilios artificiales. Al doblarse y desdoblarse una tras otra, estas finas tiras pueden impulsar una cantidad microscópica de fluido en una dirección determinada. Pero, para conseguir que una gota fluyera siguiendo un patrón más complejo, el equipo tuvo que dividir la superficie del chip en «unidades ciliares». Cada una estaba compuesta por unas pocas docenas de cilios (cada unidad se controlaba de forma individual). En colaboración con investigadores de la Universidad de Cambridge, el equipo de Cornell ideó un sistema de control virtual que simulaba en tres dimensiones el movimiento de una gotita a través de un chip recubierto de cilios.

Después de analizar todos los aspectos teóricos mediante simulaciones por ordenador, construyeron el dispositivo físico. Su chip de un centímetro de ancho está recubierto con un millar de diminutas bandas de platino y titanio y está dividido en 16 unidades ciliares. Cada una de ellas está compuesta por 64 cilios. Dado que cada unidad se conecta a un sistema de control informático, las unidades individuales se pueden programar de forma separada y coordinar para mover el fluido en la dirección deseada. Trabajando juntas, estas 16 unidades podrían crear casi infinitos patrones de flujo.

El primer dispositivo fabricado por el equipo puede dirigir gotas siguiendo patrones específicos, pero no es tan eficiente como les hubiera gustado. Ya están planificando la siguiente generación de chips con cilios que tienen más de una «articulación». De esa forma, tendrán más capacidad de flexión, «y el flujo de fluido será mucho más eficiente», señala Cohen.

El estudio «nos mostró que, mediante el uso de las señales eléctricas, podíamos controlar las distintas matrices de cilios artificiales de forma independiente. Eso permitía dirigir el fluido en la dirección deseada», comenta Zuankai Wang, investigador especializado en microfluidos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, quien no participó en el nuevo estudio. «Esperamos que en los años venideros se puedan producir en masa dispositivos de diagnóstico de bajo coste.»

Dado que la nueva técnica imita las estructuras biológicas, tiene mucho sentido que se utilice en medicina. Facilitaría, por ejemplo, el análisis de una muestra de agua, sangre u orina en busca de contaminantes o marcadores de una enfermedad. El usuario colocaría una gotita de sangre u orina en el chip y los cilios artificiales moverían la muestra (junto a cualquier compuesto químico o patógeno que contenga) de un lugar a otro, y, en su camino, se mezclaría con los reactivos. Los biosensores incorporados en el chip medirían los productos de estas reacciones químicas. Luego dirigirían los cilios para manipular todavía más el flujo del líquido, lo que permitiría realizar pruebas adicionales para confirmar los resultados. «De esta forma, todos los experimentos químicos que ahora precisan de un laboratorio se llevarían a cabo en un chip de un centímetro», explica Cohen. «El chip también podría alimentarse mediante diminutos paneles solares insertados en él». Un dispositivo autoalimentado como este sería ideal.

«Es increíble cómo han combinado la microelectrónica con la mecánica de fluidos», comenta Manoj Chaudhury, científico de materiales de la Universidad de Lehigh, que no participó en el estudio. «Han resuelto un problema esencial, pero todavía queda mucho trabajo por hacer. Cuando se diseña un sistema de reactores para analizar una gota de sangre, a veces es necesario tener que calentar o enfriar la muestra, comenta Chaudhury. Por lo que sería muy interesante ver cómo integran todos estos aspectos en un microrreactor.»

Saugat Bolakhe

Referencia: «Cilia metasurfaces for electronically programmable microfluidic manipulation»; W. Wang et al., en Nature, vol. 605, págs. 681–686, 25 de mayo de 2022.

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