Ricercatori dell'Istituto di Chimica dell'Università di Campinas (IQ-UNICAMP) nello stato di San Paolo, Brasile, hanno sviluppato una tecnica senza modelli per fabbricare ciglia di diverse dimensioni che imitano le funzioni biologiche e hanno molteplici applicazioni, dal dirigere i fluidi nei microcanali al caricamento di materiale in una cella, Per esempio. Le ciglia altamente flessibili sono basate su nanoparticelle di ossido di ferro rivestite di polimero, e il loro movimento può essere controllato da un magnete.

In natura, le ciglia sono strutture microscopiche simili a capelli che si trovano in gran numero sulla superficie di alcune cellule, causando correnti nel fluido circostante o, in alcuni protozoi e altri piccoli organismi, fornire propulsione.

Per fabbricare le nanostrutture allungate senza utilizzare un modello, Watson Loh e la borsista post-dottorato Aline Grein-Iankovski hanno rivestito particelle di ossido di ferro (γ-Fe ₂ oh ₃ , nota come maghemite) con uno strato di un polimero contenente gruppi di acido fosfonico termoreattivo e sintetizzato su misura da un'azienda specializzata. La tecnica sfrutta l'affinità di legame dei gruppi dell'acido fosfonico alle superfici di ossido di metallo, fabbricazione delle ciglia mediante il controllo della temperatura e l'uso di un campo magnetico.

"I materiali non si legano a temperatura ambiente o giù di lì, e formare un ciuffo senza lo stimolo di un campo magnetico, "Loh ha spiegato. "È l'effetto del campo magnetico che dà loro la forma allungata di un ciglio".

Grein-Iankovski iniziò con particelle stabili in soluzione e ebbe l'idea di ottenere le ciglia durante un tentativo di aggregare il materiale. "Stavo preparando filamenti allungati sciolti in soluzione e ho pensato di cambiare il campo di direzione, " ha ricordato. "Invece di orientarli parallelamente al vetrino, Li ho messi in posizione perpendicolare e ho scoperto che tendevano a migrare verso la superficie del vetro. Mi sono accorto che se li costringevo a restare attaccati al vetro, Potrei ottenere un diverso tipo di materiale che non sarebbe sciolto:il suo movimento sarebbe ordinato e collaborativo".

Il polimero termoreattivo si lega alla superficie delle nanoparticelle e le organizza in filamenti allungati quando la miscela viene riscaldata ed esposta a un campo magnetico. La transizione avviene ad una temperatura biologicamente compatibile (circa 37 °C). Le ciglia magnetiche risultanti sono "notevolmente flessibili", lei ha aggiunto. Aumentando la concentrazione delle nanoparticelle, la loro lunghezza può essere variata da 10 a 100 micron. Un micron (μm) è un milionesimo di metro.

"Il vantaggio di non utilizzare un modello è non essere soggetto alle limitazioni di questo metodo, come le dimensioni, Per esempio, " Grein-Inakovski ha spiegato. "In questo caso, per produrre ciglia molto piccole dovremmo creare sagome con fori microscopici, che sarebbe estremamente laborioso. Gli adeguamenti alla densità del mantello e alle dimensioni del ciglio richiederebbero nuovi modelli. È necessario utilizzare un modello diverso per ogni spessore del prodotto finale. Per di più, l'uso di un modello aggiunge un'altra fase alla produzione di ciglia, che è la fabbricazione del modello stesso."

Grein-Iankovski è l'autore principale di un articolo pubblicato su Il Giornale di Chimica Fisica C sull'invenzione, che faceva parte di un Progetto Tematico sostenuto da FAPESP, con Loh come investigatore principale.

"Il Progetto Tematico coinvolge quattro gruppi che stanno studiando come le molecole e le particelle sono organizzate a livello colloidale, significato a livello di strutture molto piccole. Il nostro approccio è cercare di trovare modi per controllare queste molecole in modo che si aggregano in risposta a uno stimolo esterno, dando vita a forme diverse con una gamma di usi diversi, "Loh ha detto.

Reversibilità

Dopo che il campo magnetico è stato rimosso, il materiale rimane aggregato per almeno 24 ore. Quindi si disgrega ad una velocità che dipende dalla temperatura alla quale è stato preparato. "Più alta è la temperatura, più intenso è l'effetto e più a lungo rimane aggregato al di fuori del campo magnetico, " ha detto Grein-Iankovski.

Secondo Loh, la reversibilità del materiale è un punto positivo. "Secondo noi, saper organizzare e disorganizzare il materiale, per "accendere e spegnere il sistema", è un vantaggio, " Loh ha detto. "Possiamo regolare la temperatura, quanto tempo rimane aggregato, lunghezza del ciglio, e densità del mantello. Possiamo personalizzare il materiale per molteplici tipologie di utilizzo, organizzarlo e modellarlo per scopi specifici. Credo che le potenziali applicazioni siano innumerevoli, dagli usi biologici a quelli fisici, comprese le applicazioni della scienza dei materiali."

Un altro grande vantaggio, Grein-Iankovski ha aggiunto, è la possibilità di manipolare il materiale esternamente, dove lo strumento utilizzato per farlo non è all'interno del sistema. "I filamenti possono essere utilizzati per omogeneizzare e spostare le particelle in un microsistema fluido, in microchannels, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, Per esempio."

The cilia can also be used in sensors, in which the particles respond to stimuli from a molecule, or to feed microscopic living organisms. "Ultimately it's possible to feed a microorganism or cell with loose cilia, which cross the cell membrane under certain conditions. They can be made to enter a cell, and a magnetic field is applied to manipulate their motion inside the cell, " Loh said.

For more than ten years, Loh has collaborated with Jean-François Berret at Paris Diderot University (Paris 7, France) in research on the same family of polymers to obtain elongated materials for use in the biomedical field. "We're pursuing other partnerships to explore other possible uses of the cilia, " Egli ha detto.

The scientists now plan to include a chemical additive in the nanostructures that will bind the particles chemically, obtaining cilia with a higher mechanical strength that remain functional for longer when not exposed to a magnetic field, if this is desirable.