Movimiento de los microrrobots y fuerza iónica: teoría y experimentos descifran su relación

El grupo del Profesor ICREA Samuel Sánchez en IBEC revela que el movimiento autopropulsado de microrrobots depende de la cantidad de sales, denominada fuerza iónica, presentes en el líquido donde navegan. Gracias al trabajo conjunto de investigadores teóricos y experimentales, los investigadores consiguen desarrollar un modelo para entender el mecanismo por el que se propulsan los microrrobots.

Read more…

Gracias a esto, también consiguen desarrollar una posible solución para que no pierdan movilidad cuando haya sales presentes en el medio, como ocurre en medios fisiológicos.

Fig.1

Los microrrobots son estructuras biocompatibles y biodegradables de forma esférica o cilíndrica desarrolladas con técnicas de nanobioingeniería. Una de sus características más importantes es que son capaces de autopropulsarse dentro de líquidos, es decir, de moverse por sí mismos sin manipulación externa, como si fueran microsubmarinos. El grupo de investigación “Dispositivos NanoBio Inteligentes” del profesor de investigación ICREA Dr. Samuel Sánchez del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) en Barcelona es pionero en el estudio y desarrollo de microrrobots propulsados por enzimas, máquinas catalíticas a escala nanoscópica.

Fig.1. Imagen de microscopía electrónica de barrido de los microrrobots mostrando su superficie rugosa. Fuente: Ionic Species Affect the Self-Propulsion of Urease-Powered Micromotors. Research, 2020. 

 

 

Fig. 2

Tradicionalmente se ha estudiado el movimiento de estos microrrobots en agua pero ahora, los mismos investigadores acaban de dar un paso más hacia su aplicación real en medios fisiológicos, ya que éstos presentan una composición más compleja incluyendo sales e iones. Concretamente, los investigadores han descubierto que la concentración de sales en el líquido es determinante para la velocidad del movimiento de los microrrobots. Sánchez, su equipo y colaboradores, lo publican en dos trabajos, en las revistas Physical Review Letters y Research, y concluyen que el movimiento de los microrrobots ocurre en función de la cantidad de sales presentes en el líquido en el que se encuentren: a mayor concentración de sales, menor movimiento. También proponen una solución para que los microrrobots no pierdan movilidad.

Fig.2. Imagen de microscopía de fluorescencia mostrando la ureasa (marcada en verde) adherida a la superficie de los microrrobots. Recuadro: imagen de microscopía electrónica de transmisión de un microrrobotFuente: Ionic Species Affect the Self-Propulsion of Urease-Powered Micromotors. Research, 2020. 

Un nuevo modelo para explicar el movimiento  

Los microrrobots utilizados por los investigadores del IBEC son partículas activas en las que ocurre una reacción enzimática: están recubiertos con ureasa, la enzima que rompe la urea y la transforma en dióxido de carbono y amoníaco. Es la descomposición de la urea la que hace que el microrrobot se mueva. Clásicamente, el estudio del movimiento por propulsión de este tipo de partículas ha dado importancia solamente a la generación de productos químicos (con carga o sin carga) de una manera asimétrica alrededor del microrrobot, es decir cuando no se libera la misma cantidad de producto por todos los lados. En otras palabras, el planteamiento hasta ahora era que el movimiento de los microrrobots dependía apenas de la generación de productos químicos, cargados o no. Sin embargo, ese modelo no podía explicar la observación de los investigadores del IBEC, que veían cómo en presencia de sales, el movimiento se reducía. Por eso, en un primer estudio publicado en revista Physical Review Letters, que cuenta con la colaboración del Dr. Marino Arroyo, profesor de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) e investigador asociado del IBEC, los investigadores han aplicado un modelo de movimiento general para partículas químicamente activas que se propulsan liberando partículas con carga, llamadas iones, para estudiar el movimiento de estos microrrobots.

El detallado estudio teórico de ese modelo indicó que la velocidad del movimiento de los microrrobots depende de la cantidad de sales en el medio, siendo menor a altas concentraciones. Contrariamente a las teorías clásicas, el movimiento sí depende de la liberación de productos que tienen carga, de forma que cuando hay sales en el medio esa carga interacciona con ellos y no se generan las condiciones químicas adecuadas para el movimiento. Es por eso que en presencia de sales hay menos movimiento. Estos hallazgos teóricos se han comprobado en una primera aproximación experimental, comparando el movimiento de los microrrobots en agua pura y en agua con diferentes concentraciones del principal componente de la sal de cocina, el cloruro de sodio (NaCl).

La teoría y los experimentos explican que los microrrobots se mueven por liberación de iones, por lo que la presencia de éstos en el medio, en forma de sales, afecta a su movimiento.  

Marco De Corato, primer co-autor del trabajo publicado en “PhysRevLett” 

Experimentos y un nuevo recubrimiento para no perder movilidad 

En un segundo trabajo, en esta ocasión experimental y publicado en la revista Research, los investigadores estudiaron el movimiento de los microrrobots en condiciones fisiológicas y en medios con concentraciones variables de sales y con diferentes pHs (medida de la acidez del medio). Para eliminar un posible efecto de contacto de los microrrobots con la superficie inferior del recipiente en el movimiento, confirman que estos se mueven en 3D mediante microscopía holográfica digital.

Dado que en las sales son unos de los principales componentes de los medios fisiológicos, resulta decisivo minimizar su efecto negativo para que los microrrobots se puedan usar en aplicaciones biomédicas. Para alcanzar ese objetivo, los investigadores modificaron la superficie de los microrrobots con un envoltorio basado en un polímero llamado polietilenglicol, y observaron que la velocidad aumentó significativamente a concentraciones intermedias de sales sin influir en la actividad enzimática.

Entender el mecanismo fisicoquímico por el cual se propulsan los microrrobots  es esencial para que se puedan usar correctamente, y de forma controlada, en aplicaciones biomédicas o tecnológicas futuras.” 

Xavier Arqué, primer autor de trabajo publicado en “Research” 


Artículos científicos 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 el IBEC

El Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) es un centro CERCA, dos veces reconocido como Centro de Excelencia Severo Ochoa, y miembro del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona (BIST). El IBEC lleva a cabo investigaciones multidisciplinares de excelencia en la frontera entre la ingeniería y las ciencias de la vida para generar conocimiento, integrando campos como la nanomedicina, biofísica, biotecnología, ingeniería de tejidos y las aplicaciones tecnológicas de la información en el campo de la salud. El IBEC se ha creado en 2005 por la Generalitat de Cataluña, la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC).