En la película de ciencia ficción del campamento de 1966 "Fantastic Voyage", los científicos miniaturizan un submarino dentro de sí mismos y viajan a través del cuerpo de un colega para romper un coágulo de sangre potencialmente mortal. De acuerdo.sub causaría.
Idealmente, los dispositivos médicos inyectables o implantables no solo deberían ser pequeños y eléctricamente funcionales, sino también blandos, como los tejidos corporales con los que interactúan. Los científicos de dos laboratorios de UChicago se dispusieron a ver si podían diseñar un material con los tresde esas propiedades.
El material que se les ocurrió, publicado en línea el 27 de junio de 2016, en Materiales de la naturaleza , forma la base de un ingenioso dispositivo inyectable activado por luz que eventualmente podría usarse para estimular las células nerviosas y manipular el comportamiento de los músculos y los órganos.
"La mayoría de los materiales tradicionales para implantes son muy rígidos y voluminosos, especialmente si quieres hacer estimulación eléctrica", dijo Bozhi Tian, profesor asistente de química cuyo laboratorio colaboró con el del neurocientífico Francisco Bezanilla en la investigación.
El nuevo material, en cambio, es blando y diminuto: partículas de unos pocos micrómetros de diámetro mucho menos que el ancho de un cabello humano que se dispersan fácilmente en una solución salina para que puedan inyectarse. Las partículas también se degradannaturalmente dentro del cuerpo después de unos meses, por lo que no se necesitaría cirugía para eliminarlos.
'esponja' a nanoescala
Cada partícula está compuesta de dos tipos de silicio que juntos forman una estructura llena de poros a nanoescala, como una pequeña esponja. Y como una esponja, es blandita, de cien a mil veces menos rígida que el cristalino familiarsilicio utilizado en transistores y células solares. "Es comparable a la rigidez de las fibras de colágeno en nuestros cuerpos", dijo Yuanwen Jiang, estudiante graduado de Tian. "Así que estamos creando un material que coincida con la rigidez del tejido real".
El material constituye la mitad de un dispositivo eléctrico que se crea espontáneamente cuando una de las partículas de silicio se inyecta en un cultivo celular o, eventualmente, en un cuerpo humano. La partícula se adhiere a una célula, formando una interfaz con la membrana plasmática de la célulaEsos dos elementos juntos, la membrana celular más la partícula, forman una unidad que genera corriente cuando la luz brilla sobre la partícula de silicio.
"No necesita inyectar todo el dispositivo; solo necesita inyectar un componente", dijo João L. Carvalho-de-Souza, postdoctorado de Bezanilla. "Esta conexión de partículas individuales con la membrana celular permite la generación suficiente de corrienteeso podría usarse para estimular la célula y cambiar su actividad. Después de lograr su objetivo terapéutico, el material se degrada de forma natural. Y si desea volver a realizar la terapia, le aplicará otra inyección ".
Los científicos construyeron las partículas usando un proceso que llaman nano-fundición. Fabrican un molde de dióxido de silicio compuesto de pequeños canales - "nanocables" - de aproximadamente siete nanómetros de diámetro menos de 10,000 veces más pequeño que el ancho deun cabello humano conectado por "micro-puentes" mucho más pequeños. En el molde inyectan gas silano, que llena los poros y canales y se descompone en silicio.
Y aquí es donde las cosas se vuelven particularmente astutas. Los científicos explotan el hecho de que cuanto más pequeño es un objeto, más dominan los átomos en su superficie a sus reacciones a lo que lo rodea. Los micro-puentes son diminutos, por lo que la mayoría de sus átomosestán en la superficie. Estos interactúan con el oxígeno que está presente en el molde de dióxido de silicio, creando micro-puentes hechos de silicio oxidado recogido de los materiales disponibles. Los nanocables mucho más grandes tienen proporcionalmente menos átomos de superficie, son mucho menos interactivos ypermanecen principalmente silicio puro.
"Esta es la belleza de la nanociencia", dijo Jiang. "Le permite diseñar composiciones químicas simplemente manipulando el tamaño de las cosas".
nanoestructura tipo web
Finalmente, el molde se disuelve. Lo que queda es una estructura similar a una red de nanocables de silicio conectados por micro-puentes de silicio oxidado que pueden absorber agua y ayudar a aumentar la suavidad de la estructura. El silicio puro conserva su capacidad de absorber la luz..
Los científicos agregaron las partículas a las neuronas en cultivo en el laboratorio, iluminaron las partículas y vieron el flujo de corriente hacia las neuronas que activan las células. El siguiente paso es ver qué sucede en los animales vivos. Están particularmente interesadosen los nervios estimulantes en el sistema nervioso periférico que se conectan a los órganos. Estos nervios están relativamente cerca de la superficie del cuerpo, por lo que la luz de longitud de onda infrarroja cercana puede alcanzarlos a través de la piel.
Tian imagina usar los dispositivos activados por la luz para manipular tejidos humanos y crear órganos artificiales para reemplazar los dañados. Actualmente, los científicos pueden fabricar órganos diseñados con la forma correcta pero no con la función ideal.
Para que un órgano construido en el laboratorio funcione correctamente, deberán poder manipular células individuales en el tejido diseñado. El dispositivo inyectable permitiría a un científico hacer eso, ajustando una célula individual utilizando un haz de luz bien enfocadocomo un mecánico metiéndose en un motor y girando un solo tornillo. La posibilidad de hacer este tipo de biología sintética sin ingeniería genética es atractiva.
"Nadie quiere que se altere su genética", dijo Tian. "Puede ser riesgoso. Existe la necesidad de un sistema no genético que aún pueda manipular el comportamiento celular. Este podría ser ese tipo de sistema".
El estudiante graduado de Tian, Yuanwen Jiang, hizo el desarrollo y caracterización del material en el proyecto. La parte biológica de la colaboración se realizó en el laboratorio de Francisco Bezanilla, el profesor de bioquímica y biología molecular Lillian Eichelberger Cannon, por el postdoc João L. Carvalho-de-Souza. Eran, dijo Tian, los "héroes" de la obra.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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