Chips con cilios artificiales

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

Chip recubierto con cientos de cilios artificiales. [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 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, numerosas pruebas diagnósticas de laboratorio consumen tiempo y 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 con cilios. Anteriormente, se había intentado crear cilios artificiales que funcionaran gracias a la presión, la luz, la electricidad e incluso imanes. Pero quedaba por resolver un gran obstáculo: el diseño de minúsculos actuadores (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 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 forma parecida, los nuevos cilios artificiales están hechos de una película flexible de grosor nanométrico que responde 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 pequeño voltaje positivo a través de un cilio, se desencadena una reacción química; cuando este entra en contacto con una gota de un fluido de prueba, el platino electrificado rompe las moléculas de agua del fluido. Esto libera los átomos de oxígeno, que serán absorbidos por la superficie de platino. El oxígeno captado alarga la tira y hace que 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: «Al hacer oscilar el voltaje, la tira se puede doblar y desdoblar a voluntad, lo que genera ondas con las que se impulsará el movimiento [del fluido de prueba]». 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 grupos de cilios que se pudieran controlar por separado. En colaboración con investigadores de la Universidad de Cambridge, el equipo de Cornell ideó virtualmente un sistema de control para simular en tres dimensiones el movimiento de una gotita a través de un chip recubierto de cilios.

Después de analizar todos los aspectos teóricos mediante esas simulaciones, construyeron el dispositivo físico. Su chip, de un centímetro de ancho, está recubierto por cientos de diminutas bandas de platino y titanio, y está dividido en 64 unidades ciliares, cada una compuesta por ocho cilios. Dado que cada unidad puede controlarse de forma independiente, es posible programarla por separado y después coordinarla con el resto para mover el fluido en la dirección deseada. Trabajando juntas, las unidades podrían crear un sinfín de patrones de flujo.

El primer dispositivo creado 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 con más de una «articulación». Tendrán más capacidad de flexión, «y el flujo del fluido será mucho más eficiente», señala Cohen.

El estudio «muestra de manera elegante que, mediante señales eléctricas, es posible controlar por separado conjuntos de cilios artificiales para realizar operaciones complejas y programables con fluidos», comenta Zuankai Wang, experto en microfluidos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, quien no participó en el estudio. «Esperamos que en los años venideros se puedan producir en masa dispositivos de diagnóstico portátiles de bajo coste.»

Dado que la nueva técnica imita las estructuras biológicas, tiene mucho sentido utilizarla 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 de un lugar a otro la muestra (junto a cualquier compuesto o patógeno que contuviera), lo que haría que se mezclara con los reactivos. Una serie de biosensores integrados en el chip medirían los productos de estas reacciones químicas. Luego harían que los cilios manipulasen 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 autosuficiente 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, ajeno al estudio. Según él, 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 , debe haber estaciones locales donde a veces es necesario calentar o enfriar la muestra. Por lo que sería muy interesante ver cómo integran todos estos aspectos en un microrreactor.»

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