En la naturaleza, es habitual encontrar estructuras que combinan tanto material blando como duro. Estas estructuras son responsables de diversas propiedades mecánicas y funciones de los sistemas biológicos. Como ejemplo típico, la columna vertebral humana posee pilas alternas de huesos duros y discos intervertebrales blandos, que es una arquitectura esencial que sostiene el cuerpo humano mientras mantiene la flexibilidad del cuerpo. Imitar la estructura suave y dura de la naturaleza puede, en principio, inspirar el diseño de materiales y dispositivos artificiales, como actuadores y robots. Sin embargo, la realización ha sido extremadamente desafiante, especialmente a microescala, donde la integración y manipulación de materiales se vuelven extremadamente menos prácticas.
Con el objetivo de hacer avanzar los materiales biomiméticos a microescala, el equipo de investigación dirigido por el Dr. Yufeng WANG del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU) ha desarrollado un nuevo método para crear superestructuras a microescala, llamado MicroSpine, que posee materiales tanto blandos como duros. materiales que imitan la estructura de la columna vertebral y pueden actuar como microaccionadores con propiedades de transformación de forma. Este avance, publicado en la principal revista científica Science Advances, se logró a través del ensamblaje coloidal, un proceso simple en el que las nanopartículas y las micropartículas se organizan espontáneamente en patrones espaciales ordenados.
Muchos organismos biológicos, desde mamíferos hasta artrópodos y microorganismos, contienen estructuras de componentes blandos y duros integrados sinérgicamente. Estas estructuras existen en diferentes longitudes, desde micrómetros hasta centímetros, y dan cuenta de las funciones mecánicas características de los sistemas biológicos. También han estimulado la creación de materiales y dispositivos artificiales, como actuadores y robots, que cambian de forma, se mueven o actúan de acuerdo con señales externas.
Aunque las estructuras blandas y duras son fáciles de fabricar en la macroescala (milímetro y más), son mucho más difíciles de realizar en la microescala (micrómetro y menos). Esto se debe a que se vuelve cada vez más desafiante integrar y manipular componentes mecánicamente distintos a menor escala. Los métodos de fabricación tradicionales, como la litografía, enfrentan varias limitaciones al intentar crear componentes a pequeña escala utilizando estrategias de arriba hacia abajo. Por ejemplo, el bajo rendimiento puede ocurrir porque los procesos de fabricación a pequeña escala son más complejos y requieren una mayor precisión, lo que puede aumentar el riesgo de defectos y errores en el producto final.
Para enfrentar el desafío, el Dr. Wang y su equipo adoptaron un enfoque diferente, llamado ensamblaje coloidal. Los coloides son partículas diminutas de 1/100 del tamaño de un cabello humano y pueden estar hechos de varios materiales. Cuando se diseñan adecuadamente, las partículas pueden interactuar entre sí, ensamblando espontáneamente en superestructuras ordenadas. Como método de abajo hacia arriba, el ensamblaje coloidal es ventajoso para hacer estructuras a microescala porque permite un control preciso sobre la creación de las estructuras deseadas a partir de varios bloques de construcción, con un mayor rendimiento. Sin embargo, la dificultad es cómo guiar las partículas para ensamblarlas en la estructura blanda-dura deseada.
Al utilizar la columna vertebral como base para el diseño, el equipo ha inventado nuevas partículas derivadas de estructuras metalorgánicas (MOF), un material emergente que puede ensamblarse con alta direccionalidad y especificidad. Al ser también el componente duro, estas partículas de MOF pueden combinarse con gotitas de líquido blandas para formar cadenas lineales. Los componentes duros y blandos toman posiciones alternas en la cadena, imitando la estructura de la columna vertebral, es decir, la MicroSpine.
« También presentamos un mecanismo por el cual el componente blando de la cadena puede expandirse y contraerse cuando MicroSpine se calienta o se enfría, por lo que puede cambiar de forma de forma reversible », explicó la Sra. Dengping LYU, primera autora del artículo, así como PhD. Candidato en el Departamento de Química en HKU.
Usando el sistema MicroSpine, el equipo también demostró varios modos de actuación precisos cuando las partes blandas de la cadena se modifican selectivamente. Además, las cadenas se han utilizado para encapsular y liberar objetos invitados, controlados únicamente por temperatura.
La realización de estas funciones es importante para el desarrollo futuro del sistema, ya que podría conducir a la creación de microrobots inteligentes capaces de realizar tareas sofisticadas a microescala, como la administración de fármacos, la detección localizada y otras aplicaciones. Los componentes de microescala altamente uniformes y estructurados con precisión podrían usarse para crear sistemas o sensores de administración de fármacos más efectivos que puedan detectar moléculas específicas con alta sensibilidad y precisión.
El equipo de investigación cree que esta tecnología representa un paso importante hacia la creación de dispositivos y máquinas complejos a microescala. Según el Dr. Wang, ‘Si piensas en la maquinaria moderna, como los automóviles, se ensamblan con decenas de miles de piezas diferentes. Nuestro objetivo es lograr el mismo nivel de complejidad utilizando diferentes partes coloidales”. Inspirándose en la naturaleza, el equipo de investigación espera diseñar más sistemas biomiméticos que puedan realizar tareas complejas a microescala y más allá.
La investigación está financiada por el Research Grants Council (RGC).