Bioingenieros desarrollan una técnica para producir en masa robots del tamaño de una célula

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Cómo producir en masa robots de tamaño celular.

La técnica del MIT podría llevar a pequeños dispositivos autoalimentados para monitoreo ambiental, industrial o médico.

Robots diminutos, no más grandes que una célula, podrían producirse en masa utilizando un nuevo método desarrollado por investigadores del MIT.

Los dispositivos microscópicos, que el equipo denomina “syncells” (abreviatura de células sintéticas), podrían usarse para monitorear las condiciones dentro de un oleoducto o gasoducto, o para detectar enfermedades mientras flotan en el torrente sanguíneo.

La clave para hacer estos pequeños dispositivos en grandes cantidades se encuentra en un método que el equipo desarrolló para controlar el proceso de fractura natural de materiales quebradizos y delgados, dirigiendo las líneas de fractura para que produzcan bolsas minúsculas de tamaño y forma predecibles.

Dentro de estos bolsillos, hay incrustados circuitos y materiales electrónicos que pueden recopilar, grabar y generar datos.

El proceso novedoso, llamado “autoperforación”, se describe en un artículo publicado en la revista Nature Materials, por el profesor Michael Strano del MIT, el postdoctorado Pingwei Liu, el estudiante graduado Albert Liu y otros ocho en el MIT.

El sistema utiliza una forma bidimensional de carbono llamada grafeno, que forma la estructura externa de las diminutas células syncells.

Una capa del material se coloca sobre una superficie, luego, una versión sofisticada de laboratorio de una impresora de inyección de tinta deposita pequeños puntos de un material polímero que contiene la electrónica de los dispositivos.

Luego, una segunda capa de grafeno se coloca en la parte superior.

La gente piensa que el grafeno, un material ultrafino pero extremadamente fuerte, es “flexible”, pero en realidad es frágil, explica Strano.

Pero en lugar de considerar que la fragilidad era un problema, el equipo descubrió que podría ser usado en su beneficio.

“Descubrimos que se puede usar la fragilidad”, dice Strano, que es profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT.

“Es contraintuitivo. Antes de este trabajo, si me dijeras que podrías fracturar un material para controlar su forma en la nanoescala, habría sido incrédulo “.

Pero el nuevo sistema hace justamente eso.

Controla el proceso de fracturamiento para que, en lugar de generar fragmentos aleatorios de material, como los restos de una ventana rota, produzca piezas de forma y tamaño uniformes.

“Lo que descubrimos es que se puede imponer un campo de tensión para hacer que la fractura sea guiada, y se puede usar para la fabricación controlada”, dice Strano.

Cuando la capa superior de grafeno se coloca sobre la matriz de puntos de polímero, que forman formas de pilares redondos, los lugares donde las capas de grafeno sobre los bordes redondos de los pilares forman líneas de alta tensión en el material.

Como lo describe Albert Liu, “imagine un mantel que cae lentamente sobre la superficie de una mesa circular.

“Uno puede visualizar muy fácilmente la tensión circular en desarrollo hacia los bordes de la mesa, y eso es muy análogo a lo que sucede cuando una hoja plana de grafeno se dobla alrededor de estos pilares de polímero impreso”.

Como resultado, las fracturas se concentran a lo largo de esos límites, dice Strano.

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El resultado es un trozo de grafeno limpio y redondo que parece como si hubiera sido cortado por una perforadora microscópica.

Debido a que hay dos capas de grafeno, por encima y por debajo de los pilares de polímero, los dos discos resultantes se adhieren en sus bordes para formar algo como un pequeño bolsillo de pan de pita, con el polímero sellado en su interior.

“Y la ventaja aquí es que esto es esencialmente un solo paso”, en contraste con muchos pasos complejos de sala limpia que otros procesos necesitan para hacer dispositivos microscópicos robots, dice Strano.

Los investigadores también han demostrado que otros materiales bidimensionales además del grafeno, como el disulfuro de molibdeno y el boronitruro hexagonal, funcionan igual de bien.

Con un tamaño que va desde el de un glóbulo rojo humano, de unos 10 micrómetros de ancho, hasta aproximadamente 10 veces ese tamaño, estos pequeños objetos “comienzan a verse y comportarse como una célula biológica viva.

De hecho, bajo un microscopio, probablemente pueda convencer a la mayoría de las personas de que es una célula ”, dice Strano.

Este trabajo hace un seguimiento de una investigación anterior realizada por Strano y sus estudiantes sobre el desarrollo de sincronizadores que podrían recopilar información sobre la química u otras propiedades de su entorno utilizando sensores en su superficie, y almacenar la información para su posterior recuperación, por ejemplo, inyectando un enjambre de tales partículas en un extremo de una tubería y recuperarlos en el otro para obtener datos sobre las condiciones dentro de él.

Si bien las nuevas sincronizaciones aún no tienen tantas capacidades como las anteriores, éstas se ensamblaron individualmente, mientras que este trabajo demuestra una manera de producir en masa fácilmente tales dispositivos.

Además de los usos potenciales de las sincronizaciones para el monitoreo industrial o biomédico, la forma en que se fabrican los pequeños dispositivos es en sí misma una innovación con un gran potencial, según Albert Liu.

“Este procedimiento general de usar la fractura controlada como método de producción puede extenderse a lo largo de muchas escalas de longitud”, dice.

“[Se podría usar con] esencialmente cualquier material bidimensional de elección, en principio permitiendo a futuros investigadores adaptar estas superficies atómicamente delgadas en cualquier forma deseada para aplicaciones en otras disciplinas”.

Esto es, dice Albert Liu, “una de las únicas formas disponibles en este momento para producir microelectrónicos integrados independientes a gran escala” que pueden funcionar como dispositivos independientes de libre flotación.

Dependiendo de la naturaleza de la electrónica en el interior, los dispositivos podrían contar con capacidades de movimiento, detección de diversos productos químicos u otros parámetros y almacenamiento de memoria.

Hay una amplia gama de posibles nuevas aplicaciones para dispositivos robóticos de ese tamaño, dice Strano, quien detalla muchos de los posibles usos en un libro que escribió junto con Shawn Walsh, un experto en los Laboratorios de Investigación del Ejército, sobre el tema, llamado “ Sistemas robóticos y plataformas autónomas ”, que se publicará este mes por Elsevier Press.

Como demostración, el equipo “escribió” las letras M, I y T en una matriz de memoria dentro de una célula syncell, que almacena la información como niveles variables de conductividad eléctrica.

Luego, esta información se puede “leer” utilizando una sonda eléctrica, lo que demuestra que el material puede funcionar como una forma de memoria electrónica en la que se pueden escribir, leer y borrar datos a voluntad.

También puede retener los datos sin necesidad de energía, lo que permite que la información se recopile más adelante.

Los investigadores han demostrado que las partículas son estables durante un período de meses, incluso cuando flotan en el agua, que es un solvente áspero para la electrónica, según Strano.

“Creo que abre un nuevo conjunto de herramientas para micro y nanofabricación”, dice.

Daniel Goldman, profesor de física en Georgia Tech, que no participó en este trabajo, dice: “Las técnicas desarrolladas por el grupo del Profesor Strano tienen el potencial de crear dispositivos inteligentes de microescala que pueden realizar tareas juntas que ninguna partícula puede realizar sola. ”

Fuente: MIT