Los científicos llevan a cabo investigaciones sobre actuadores de tamaño micrométrico que algún día podrían hacer posible transportar fármacos o moléculas de sensores químicos a lugares específicos de todo el cuerpo humano. Investigadores de ETH Zurich han dado ahora un paso decisivo en el desarrollo de estos microdispositivos: una nueva tecnología de producción y nuevos materiales han hecho posible fabricar actuadores diminutos de cualquier forma y optimizarlos para futuras aplicaciones.
Los elementos actuadores alargados, capaces de desplazarse por líquidos, tienen forma helicoidal y son magnéticos. Los impulsa un campo magnético externo giratorio; se alinean con las líneas del campo magnético y giran alrededor de su eje longitudinal. Gracias a su forma helicoidal, pueden avanzar nadando por los líquidos.
Al emplear técnicas de fabricación convencionales, las propiedades magnéticas de estos microobjetos dependen de la forma de los propios dispositivos. Esta limitación dificultaba que los investigadores desarrollaran actuadores con un control preciso y estabilidad direccional, explica el doctorando Christian Peters, del grupo dirigido por Christofer Hierold, profesor de Microsistemas y Nanosistemas: «Antes, estos elementos se tambaleaban al avanzar y eran menos eficientes porque sus propiedades magnéticas no eran ideales. Ahora hemos desarrollado un material y una técnica de fabricación con los que podemos ajustar las propiedades magnéticas independientemente de la geometría del objeto».
Una impresora 3D microscópica
Los científicos utilizaron una resina epoxi fotosensible y biocompatible en la que incorporaron nanopartículas magnéticas. Durante la primera fase del curado, expusieron una fina capa de este material a un campo magnético. El campo magnetizó las nanopartículas y provocó que se reordenaran formando líneas paralelas. La orientación de estas líneas determina las propiedades magnéticas del material. A continuación, los investigadores fabricaron las diminutas estructuras alargadas a partir de la película de epoxi modificada mediante polimerización de dos fotones. Esta técnica es similar a una impresora 3D microscópica: un haz láser se desplaza de forma tridimensional y controlada por ordenador dentro de la capa de resina epoxi y la cura localmente. Después, las zonas no curadas pueden eliminarse con un disolvente.
Esta técnica permitió a los investigadores fabricar estructuras helicoidales de 60 micrómetros de longitud y nueve micrómetros de diámetro, con una magnetización perpendicular al eje longitudinal. Un método de fabricación convencional no habría permitido producir un objeto con tales propiedades magnéticas, ya que la magnetización preferida suele orientarse en la dirección del eje longitudinal, como en la aguja de una brújula. Los nuevos actuadores pueden controlarse con precisión, nadan casi cuatro veces más rápido que los elementos anteriores y no se tambalean.
Nuevas formas con superficies mayores
Los microactuadores anteriores solían tener forma de sacacorchos (hélice), pero gracias a la tecnología de fabricación 3D microscópica, los científicos de ETH pudieron producir formas modificadas. En el estudio fabricaron estructuras similares a tiras retorcidas en espiral y cables retorcidos dobles. Las pruebas muestran que estas formas nadan tan rápido como los actuadores con forma de sacacorchos, pero se diferencian de estos en que su superficie es entre dos y cuatro veces mayor. «Esto hace que los actuadores sean más interesantes para determinadas aplicaciones», afirma Salvador Pané, investigador asociado del grupo dirigido por Bradley Nelson, profesor de Robótica y Sistemas Inteligentes.
Si estos elementos han de transportar medicamentos o moléculas de sensores químicos a lugares específicos del cuerpo, los actuadores deben recubrirse con las moléculas correspondientes. Y cuanto mayor sea la superficie del elemento, mayor será la cantidad de materiales que puede transportar. Los investigadores demostraron que, en principio, es posible recubrir las estructuras con materiales biomédicos de interés uniendo anticuerpos a la superficie de los motores en espiral.
«Pero no se trata solo de micro robots nadadores», afirma Peters. «La nueva tecnología también puede utilizarse cuando hay que fabricar otros microobjetos con propiedades magnéticas específicas». El trabajo es resultado de muchos años de investigación conjunta entre ambos profesores del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos en los campos de la tecnología de microsistemas y la microrrobótica, añade Pané. El grupo dirigido por Nelson cuenta con muchos años de experiencia en la fabricación y aplicación de micro robots magnéticos, y el grupo dirigido por Hierold posee una sólida competencia en la integración de nuevos materiales en microsistemas.
Publicado en colaboración con ETH Zurich
Autor: Fabio Bergamin tiene un doctorado en Inmunología por la Universidad de Berna y trabaja como editor científico en el equipo especializado de la Oficina de Noticias y Medios.
Imagen: Ilustración de los distintos microactuadores que pueden recubrirse con compuestos activos. Peters C et al. Advanced Functional Materials 2014, reimpreso con autorización de Wiley.
