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Científicos crean pestañas controlables con imanes flexibles

Publicado em 27 janeiro 2021

Por Karina Ninni, da Agência FAPESP

Investigadores del Instituto de Química de la Universidad Estadual de Campinas (IQ-Unicamp) desarrollaron una técnica libre de moldes para fabricar pestañas de diferentes dimensiones, que pueden imitar funciones biológicas y tener múltiples aplicaciones: desde dirigir fluidos en microcanales hasta cargar material al interior de una celda, por ejemplo. Muy flexibles, las pestañas se basan en nanopartículas de hierro añadidas a un polímero y su movimiento puede controlarse mediante un imán.

Para crear las nanoestructuras alargadas sin el uso de un molde, Watson Loh y la estudiante postdoctoral Aline Grein Iankovski recubrieron partículas de hierro (?-Fe2O3, conocido como maghemita) con una capa de material polimérico capaz de unirse a las partículas. Se trata de un polímero que contiene grupos de ácido fosfónico sensibles a la temperatura, sintetizados de forma personalizada por una empresa del ramo. Las estructuras alargadas se forman controlando la temperatura y utilizando un campo magnético.

“A baja temperatura, más o menos veinte grados, no se produce esta agregación. Y, sin la estimulación de un campo magnético, estos materiales se agregan para formar un solo coágulo. Es el efecto del campo magnético lo que le da al material agregado la forma alargada de una pestaña”, explica Loh.

Grein Iankovski partió de una dispersión de partículas estables en una solución líquida y tuvo la idea de obtener las pestañas durante un intento de agregar el material. “Estaba preparando estos filamentos alargados sueltos en solución y pensé en cambiar el campo de la dirección; en lugar de orientarlos en paralelo a la placa de vidrio, los coloqué perpendiculares. Me di cuenta que, de esta forma, la tendencia es que migren a la superficie del vidrio. Entonces, pensé que podría obligarlos a pegarse al vidrio y, así, conseguir otro tipo de material, que no estaría suelto, pero cuyos movimientos podrían ser ordenados y colaborativos”.

El polímero sensible a la temperatura actúa como aglutinante en la superficie de la partícula, promoviendo la organización de las nanopartículas en filamentos alargados cuando la mezcla se calienta y se expone al campo magnético, explica la investigadora. Esta transición se produce a una temperatura inferior a 37° C, es decir, biológicamente compatible, y las pestañas magnéticas resultantes tienen una flexibilidad increíble. Al aumentar la concentración de las nanopartículas, las longitudes de las nanoestructuras pueden variar de 10 a 100 micrones (µm).

“La ventaja de no utilizar un molde, o una plantilla, como solemos decir, es que no estamos sujetos a las limitaciones de este método, tales como la dimensión, por ejemplo. En este caso, para producir pestañas muy pequeñas, sería necesario crear moldes con vasos diminutos, lo cual es muy trabajoso. Si fuera necesario, por ejemplo, ajustar la densidad de cobertura y el tamaño de las pestañas, sería necesario hacer otro molde, ya que cada espesor diferente del producto final requiere una forma diferente. Además, el uso de una plantilla añade un paso más a la producción de las pestañas, que es la elaboración del propio molde”, explica Grein Iankovski, primera autora del artículo publicado en The Journal of Physical Chemistry C ..

El trabajo es parte de un Proyecto Temático apoyado por FAPESP y coordinado por Loh.

“En Temática, hay cuatro grupos que investigan cómo se organizan las moléculas y partículas a nivel coloidal, es decir, a nivel de estructuras muy pequeñas. Nuestro asbordaje es tratar de encontrar una forma de controlar estas moléculas para que se agreguen con estímulos externos, se originen de diferentes formas y tengan diferentes usos ”, dice la investigadora.

A medida
Los investigadores señalan que, después de eliminar el campo magnético, el material permanece agregado durante un período de al menos 24 horas y luego se desintegra nuevamente. El tiempo que el filamento permanece unido después de eliminar el estímulo magnético depende de la temperatura a la que se lo preparó. "Si fuera a una temperatura más alta, el efecto será más intenso y permanecerá agregado durante más tiempo fuera del campo magnético", dice Grein Iankovski.

Según Loh, la reversibilidad del material es un punto positivo. “Consideramos una ventaja poder organizar y desorganizar el material, “encender y apagar” el sistema. Podemos ajustar la temperatura, el tiempo que permanece agregado, la longitud, la densidad de cobertura. Podemos personalizar el material para diferentes tipos de uso, organizarlo y darle forma para fines específicos. Creo que hay infinitas aplicaciones, desde la biología hasta la física o incluso la ciencia de materiales ".

Grein Iankovski cree que una de las grandes ventajas del producto es la posibilidad de manipularlo externamente, sin que la herramienta de manipulación sea interna al sistema en el que actúa. “Los filamentos pueden ser usados para homogeneizar y movilizar partículas en un microsistema fluído, en microcanales, simplemente por la aproximación externa de un imán. De esa forma, es posible hacer que ellos direccionen un fluído, por ejemplo”.

Las pertañas pueden aún usarse en sensores en los cuales las partículas responden al estímulo de una molécula. O, además, para alimentar organismos vivos microscópicos. “Finalmente, es posible alimentar un microorganismo o una célula con esos filamentos sueltos, pues, en ciertas condiciones, atraviesan la membrana celular. De esa forma, sería posible hacerlos atravesar la membrana y aplicar el campo magnético para estimular sus movimientos dentro de la célula”, dijo Loh.

Destacó asimismo la colaboración de más de diez años con Jean-François Berret, de la Universidad de París, que trabaja con la misma familia de polímeros para obtención de materiales alargados y usados en el área biomédica. “Estamos buscando más asociaciones para explorar las posibilidades de uso de las pestañas”.

Agora, los científicos pretenden incrementar un aditivo químico a las nanoestructuras para vincular químicamente las partículas y obtener una pestaña mecánicamente más resistente, que puede mantenerse funcional por un período más largo de exposición a un campo magnético, si eso fuera necesario.

El artículo "Template-Free Preparation of Thermoresponsive Magnetic Cilia Compatible with Biological Conditions" puede leerse en https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jpcc.0c09089.

Traducción Programa INFOCIENCIA

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