Moviment de microrrobots i força iònica: teoria i experiments desxifren la seva relació

El grup del Professor ICREA Samuel Sánchez a l’IBEC revela que el moviment autopropulsat de microrobots depèn de la quantitat de sals, anomenada força iònica, presents en el líquid on naveguen. Gràcies al treball conjunt d’investigadors teòrics i experimentals, s´ha desenvolupat un model per entendre el mecanisme pel qual s’impulsen els microrobots.

Read more…

Gràcies a això, també poden desenvolupar una possible solució per evitar la pèrdua de mobilitat quan les sals són presents en el medi, com passa en medis fisiològics.

Fig.1

Els microrobots són estructures esfèriques o cilíndriques biocompatibles i biodegradables desenvolupades amb tècniques de nanobioenginyeria. Una de les seves característiques més importants és que són capaços d’autopropulsar-se dins dels líquids, és a dir, de moure’s per si mateixos sense manipulació externa, com si fossin microsubmarins. El grup d’investigació “Nano Dispositius Biològics Intel·ligents” del professor d’investigació ICREA Samuel Sánchez de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) a Barcelona, és un pioner en l’estudi i desenvolupament de microrobots impulsats per enzims, màquines catalítiques a escala nanoscòpica.

Fig.1. Imatge de microscòpia electrònica de rastreig dels microrobots mostrant la seva superfície rugosa. Font: Ionic Species Affect the Self-Propulsion of Urease-Powered Micromotors. Research, 2020. 

 

Fig. 2

Tradicionalment, el moviment d’aquests microrobots ha estat estudiat en aigua, però ara, els mateixos investigadors acaben de fer un pas més cap a la seva aplicació real en ambients fisiològics, ja que presenten una composició més complexa, incloent sals i ions. Específicament, els investigadors han descobert que la concentració de sals en el líquid és decisiva per a la velocitat de moviment dels microrobots. Sánchez, el seu equip i col·laboradors ho publiquen en dos articles, en les revistes Physical Review Letters and Research, i conclouen que el moviment dels microrobots es produeix en funció de la quantitat de sals presents en el líquid en què es trobin: a major concentració de sals, menys moviment. També proposen una solució per reduir la pèrdua de mobilitat dels microrobots.

Fig.2. Imatge de microscòpia de fluorescència que mostra la ureasa (marcada en verd) adherida a la superfície dels microrobotsDetall: imatge de microscòpia electrònica de transmissió d’un microbot. Font: Ionic Species Affect the Self-Propulsion of Urease-Powered Micromotors. Research, 2020. 

Un nou model per explicar el moviment

Els microrobots utilitzats pels investigadors de l’IBEC són partícules actives en les quals es produeix una reacció enzimàtica: estan coberts amb ureasa, l’enzim que descompon la urea i la transforma en diòxid de carboni i amoníac. És el trencament de la urea el que fa moure el microrobot. Clàssicament, l’estudi del moviment per propulsió d’aquest tipus de partícules ha donat importància només a la generació de productes químics (amb o sense càrrega) de manera asimètrica al voltant del microbot, és a dir, quan les quantitats de producte alliberat no són iguals en tota la superfície. En altres paraules, l’enfocament fins ara era que el moviment de microrobots depenia només de la generació de productes químics, carregats o no. No obstant això, aquest model no va poder explicar l’observació dels investigadors de l’IBEC, que van veure com en presència de sals, el moviment es reduïa. Per aquesta raó, en un primer estudi publicat a la revista Physical Review Letters, amb la col·laboració de Marino Arroyo, professor de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i investigador associat a l’IBEC, els investigadors han aplicat un model general de moviment per a partícules químicament actives que són impulsades alliberant partícules carregades, anomenades ions, per estudiar el moviment d’aquests microrobots.

L’estudi teòric detallat d’aquest model indica que la velocitat de moviment dels microrobots depèn de la quantitat de sals en el medi, sent més baixa en concentracions altes. Contràriament a les teories clàssiques, el moviment depèn de l’alliberament de productes que tenen una càrrega, de manera que quan hi ha sals en el medi aquesta càrrega interactua amb ells microrobots i no es produeixen les condicions químiques adequades per al moviment. Per això en presència de sals hi ha menys moviment. Aquestes troballes teòriques s’han verificat en un primer enfocament experimental, comparant el moviment dels microrobots en aigua pura i en aigua amb diferents concentracions del component principal de la sal de cuina, clorur de sodi (NaCl).

La teoria i els experiments expliquen que els microrobots es mouen mitjançant l’alliberament d’ions, de manera que la seva presència en el medi, en forma de sals, afecta el seu moviment. 

Marco De Corato, primer coautor de l’article publicat a “PhysRevLett”

Experiments i un recobriment nou per evitar perdre mobilitat

En un segon estudi, aquest cop experimental i publicat a la revista Research, els investigadors van estudiar el moviment dels microrobots en condicions fisiològiques i en medis amb concentracions variables de sals i amb diferents pHs (mesura de l’acidesa del medi). Per eliminar un possible efecte de contacte dels microrobots amb la superfície inferior del recipient en el moviment, confirmen que es mouen en 3D utilitzant la microscòpia hologràfica digital.

Com que les sals són un dels components principals dels medis fisiològics, és essencial minimitzar el seu efecte negatiu, de manera que els microrrobots es puguin utilitzar en aplicacions biomèdiques. Per aconseguir aquest objectiu, els investigadors van modificar la superfície dels microrobots amb un revestiment d’un polímer anomenat polietilenglicol, i van observar que la velocitat va augmentar significativament a concentracions intermèdies de sals sense influir en l’activitat enzimàtica.

Comprendre el mecanisme fisicoquímic pel qual els microrobots són impulsats és essencial per al seu ús correcte i d’una manera controlada en aplicacions biomèdiques o tecnològiques futures.

Xavier Arqué, primer autor de l’article publicat a “Research”


Articles de referencia: 

Marco De Corato, Xavier Arqué, Tania Patiño, Marino Arroyo, Samuel Sánchez and Ignacio Pagonabarraga (2020).Self-Propulsion of Active Colloids via Ion Release: Theory and ExperimentsPhysical Review Letters, 124(10), 108001.

Xavier Arqué, Xavier Andrés, Rafael Mestre, Bernard Ciraulo, Jaime Ortega Arroyo, Romain Quidant, Tania Patiño, and Samuel Sánchez (2020).Ionic Species Affect the Self-Propulsion of Urease-Powered MicromotorsResearchVolume 2020, Article ID 2424972.


Sobre l’IBEC

L’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) és un centre CERCA, reconegut dues vegades com a Centre d’Excel·lència Severo Ochoa, i membre de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST). L’IBEC realitza una recerca multidisciplinària d’excel·lència en la frontera entre l’enginyeria i les ciències de la vida per generar coneixement, integrant camps com la nanomedicina, la biofísica, la biotecnologia, l’enginyeria de teixits i les aplicacions de tecnologia de la informació en el camp de la salut. L’IBEC va ser creat el 2005 per la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB) i la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).