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Una diminuta versión del USS Voyager arroja luz sobre la física de unidades micro-nadadoras

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Para este envío, un querido colega, ingeniero mecánico que labora en el área aeroespacial, nos comparte una descripción del trabajo de investigación que realiza Leiden University en Holanda y que podría conducir a la fabricación de pequeños robots submarinos con lo que se podrá realizar la  administración autónoma de fármacos en el cuerpo humano, entre otras aplicaciones. Esta información se publicó el 17 de noviembre de 2020 en un artículo escrito por Jennifer Ouellette en el boletín digital de ARS Thecnica. Veamos de qué se trata…

 

Físicos de Leiden University ubicada en Holanda han creado una versión microscópica impresa en 3D del USS Voyager de la serie de televisión Star Trek, según un artículo reciente en la revista Soft Matter. Este tipo de "micro-naves nadadoras sintéticas” son de gran interés para los científicos porque algún día podrían convertirse en diminutos robots nadadores para la administración autónoma de fármacos a través del torrente sanguíneo o para limpiar aguas residuales, entre otras aplicaciones potenciales. Dichos estudios también podrían arrojar luz sobre cómo los "unidades micro-nadadoras naturales”, como los espermatozoides y las bacterias, viajan a través del cuerpo humano.

Debido a su pequeño tamaño, los micro-nadadores enfrentan desafíos únicos cuando se mueven a través de fluidos. Como informamos anteriormente en el contexto de diferentes investigaciones, los microorganismos biológicos viven en ambientes con un llamado número de Reynolds bajo, un número que predice cómo se comportará un fluido en función de las variables viscosidad, longitud y velocidad. El concepto, que lleva el nombre del físico del siglo XIX Osborne Reynolds, es especialmente útil para predecir cuándo un fluido pasará a un flujo turbulento.

 

En términos prácticos, significa que las fuerzas de inercia (por ejemplo, empujar contra el agua para impulsarse hacia adelante mientras nada) son en gran parte irrelevantes en números de Reynolds muy bajos, donde dominan las fuerzas viscosas. Entonces, debido a que las bacterias o los espermatozoides nadan en números de Reynolds bajos, apenas pueden deslizarse en una distancia si se los empuja para ponerlos en movimiento. Es similar a un humano que intenta nadar en melaza.

"Al estudiar a los micro-nadadores sintéticos, nos gustaría entender a los micro nadadores biológicos", dijo a CNN la coautora Samia Ouhajji. "Esta comprensión podría ayudar a desarrollar nuevos vehículos de administración de fármacos; por ejemplo, microrobots que nadan de forma autónoma y administran fármacos en el lugar deseado del cuerpo humano".

La forma resulta ser un factor significativo que afecta el movimiento y las interacciones de los micro nadadores, y ese es el tema central de este último artículo. "La forma y el movimiento de los micro nadadores sintéticos y biológicos están íntimamente conectados", escribieron los autores. Estudios anteriores han demostrado que las partículas en forma de L siguen trayectorias circulares, por ejemplo. Y en 2016, científicos de la Southern Methodist University construyeron robots micro nadadores que se asemejan a una cadena de cuentas magnéticas. El movimiento de los robots podría controlarse mediante un campo magnético giratorio. Los investigadores encontraron que los micro nadadores de diferentes longitudes tenían diferentes propiedades de natación. En particular, los más largos nadan más rápido.

 

El equipo de Leiden necesitaba un método sólido para fabricar micro-nadadores en una variedad de formas complejas. Los micro-nadadores sintéticos se fabrican típicamente mediante técnicas químicas o de evaporación, que, si bien son efectivas, limitan las posibles formas a esferas o coloides en forma de varilla. Los micro nadadores biológicos son mucho más diversos y asimétricos con respecto a la forma. Así que los investigadores de Leiden optaron por utilizar la "polimerización de dos fotones" o 2PP, un método que permite la impresión 3D de microestructuras sin dejar de tener cierta flexibilidad en términos de forma y simetría. También les permitió controlar cómo se orienta una partícula en relación con el sustrato de sílice fundida sobre el que se imprime, lo que les da un control adicional sobre el movimiento resultante.

 

 

"El potencial de 2PP para crear micro nadadores con una amplia gama de geometrías es inmenso, lo que permite la producción de casi cualquier forma deseada", escribieron los autores. Según la coautora Daniela Craft, física de la Universidad de Leiden, el equipo enfocó un láser dentro de una gota y lo usó para "escribir" cualquier estructura que desearan. Pudieron crear una variedad de formas a escala micrométrica con una impresora 3D de alta resolución. Una vez impresos, los objetos se colocaron en acrilato de metiléter de propilenglicol durante 30 minutos y se sumergieron cinco veces en isopropanol como toque final a cada estructura.

 

El equipo comenzó imprimiendo partículas esféricas en el rango de 1 a 10 micrómetros como prueba de principio y pudo concluir que 4 micrómetros era lo más bajo que podían llegar y aún así producir formas razonablemente esféricas. A continuación, mostraron que, cuando se colocan en agua, sus partículas esféricas exhiben movimiento browniano, el movimiento aleatorio de partículas en un fluido cuando chocan constantemente con otras moléculas, es decir, se comportan como verdaderos coloides. (Dato curioso: uno de los artículos fundamentales que Albert Einstein publicó en 1905, su annus mirabilis, modeló moléculas de agua individuales como un mecanismo para el movimiento aleatorio observado de las partículas de polen en un charco).

Luego, los científicos de Leiden colocaron sus micro-nadadores en una solución de agua y peróxido de hidrógeno; el recubrimiento de platino / paladio reaccionó con la solución para crear autopropulsión o movimiento activo. "La diferencia en las trayectorias pasivas en el agua y las de la solución de peróxido de hidrógeno muestra que mediante un simple procedimiento de recubrimiento, los coloides impresos en 3D pueden activarse", escribieron los autores.

 

Para la siguiente fase de su investigación, el equipo de Leiden amplió su repertorio para imprimir en 3D estructuras más complejas: una esfera puntiaguda, una espiral, una hélice y un barco llamado "3DBenchy" que mide 30 micrómetros de largo, abreviatura de "punto de referencia". "una estructura comúnmente utilizada para probar impresoras 3D para ver qué tan bien manejan los detalles finos. El barco Benchy, por ejemplo, luce características geométricas tan desafiantes como ojos de buey y una cabina abierta.

Y, por supuesto, hicieron la versión micro del USS Voyager, que mide solo 15 micrómetros de largo. Eso fue a instancias del coautor Jonas Hoecht, a quien se le dio la opción de imprimir cualquier forma 3D que le gustara para la muestra final. Hoecht es un fanático acérrimo de Star Trek y eligió la Voyager. Se tomaron imágenes de todos los microobjetos impresos en 3D utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM).

"Esperamos aprender sobre lo que ahora es un buen principio de diseño para crear un pequeño vehículo de administración de medicamentos: si tiene una pequeña partícula que va a una parte específica del cuerpo para administrar medicamentos, entonces tiene que propulsarse y entonces tienes que lidiar con el medio ambiente en tu cuerpo, que es muy complejo ", dijo a CNN la coautora Daniela Kraft. "Lo que estamos tratando de responder es: ¿cuál sería un buen diseño? ¿Cuál sería una gran forma para que pueda circular y ser eficiente?"

La investigación del equipo demostró que las partículas creadas en forma de hélice mostraban el movimiento más prometedor. "Cuando se mueve hacia adelante, a menudo necesita rotar y eso ayuda, por ejemplo, a acelerarlo", dijo Kraft. "Si piensas en aplicaciones, si quieres tener una pequeña máquina que vaya a alguna parte, podría ser más útil tener forma de hélice, porque nada más rápido".

 

Fuente: https://arstechnica.com/science/2020/11/tiny-version-of-uss-voyager-sheds-light-on-physics-of-microswimmers/

 

 

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