Pesquisadores do Instituto de Química da Universidade de Campinas (IQ-UNICAMP) no estado de São Paulo, Brasil, desenvolveram uma técnica sem molde para fabricar cílios de diferentes tamanhos que imitam funções biológicas e têm múltiplas aplicações, desde o direcionamento de fluidos em microcanais até o carregamento de material em uma célula, por exemplo. Os cílios altamente flexíveis são baseados em nanopartículas de óxido de ferro revestidas com polímero, e seu movimento pode ser controlado por um ímã.

Na natureza, cílios são estruturas microscópicas semelhantes a pêlos encontradas em grande número na superfície de certas células, causando correntes no fluido circundante ou, em alguns protozoários e outros pequenos organismos, fornecendo propulsão.

Para fabricar as nanoestruturas alongadas sem usar um modelo, Watson Loh e sua colega de pós-doutorado Aline Grein-Iankovski revestiram partículas de óxido de ferro (γ-Fe ₂ O ₃ , conhecido como maghemita) com uma camada de um polímero contendo grupos de ácido fosfônico termorresponsivos e sintetizado sob encomenda por uma empresa especializada. A técnica aproveita a afinidade de ligação de grupos de ácido fosfônico a superfícies de óxido de metal, fabricação dos cílios por meio de controle de temperatura e uso de um campo magnético.

"Os materiais não se ligam à temperatura ambiente ou próximo disso, e formar um aglomerado sem o estímulo de um campo magnético, "Loh explicou." É o efeito do campo magnético que lhes dá a forma alongada de um cílio. "

Grein-Iankovski começou com partículas estáveis ​​em solução e teve a ideia de obter os cílios durante uma tentativa de agregar o material. "Eu estava preparando filamentos alongados soltos em solução e pensei em mudar o campo de direção, "ela lembrou." Em vez de orientá-los paralelamente à lâmina de vidro, Coloquei-os em uma posição perpendicular e descobri que eles tendiam a migrar para a superfície do vidro. Eu percebi que se eu os forçasse a grudar no vidro, Poderia obter outro tipo de material que não ficaria solto:seu movimento seria ordenado e colaborativo. ”

O polímero termo-responsivo se liga à superfície das nanopartículas e as organiza em filamentos alongados quando a mistura é aquecida e exposta a um campo magnético. A transição ocorre a uma temperatura biologicamente compatível (em torno de 37 ° C). Os cílios magnéticos resultantes são "notavelmente flexíveis", ela adicionou. Ao aumentar a concentração das nanopartículas, seu comprimento pode variar de 10 a 100 mícrons. Um mícron (μm) é um milionésimo de um metro.

“A vantagem de não usar um template é não estar sujeito às limitações deste método, como tamanho, por exemplo, "Grein-Inakovski explicou." Neste caso, para produzir cílios muito pequenos, teríamos que criar modelos com orifícios microscópicos, o que seria extremamente trabalhoso. Ajustes na densidade do revestimento e no tamanho do cílio exigiriam novos modelos. Um modelo diferente deve ser usado para cada espessura do produto final. Além disso, usar um modelo adiciona outro estágio à produção de cílios, que é a fabricação do próprio modelo. "

Grein-Iankovski é o autor principal de um artigo publicado em The Journal of Physical Chemistry C na invenção, que fez parte de um Projeto Temático apoiado pela FAPESP, com Loh como investigador principal.

“O Projeto Temático envolve quatro grupos que investigam como as moléculas e partículas se organizam no nível coloidal, significado ao nível de estruturas muito pequenas. Nossa abordagem é tentar encontrar maneiras de controlar essas moléculas de modo que se agregem em resposta a um estímulo externo, dando origem a diferentes formas com uma gama de usos diferentes, "Loh disse.

Reversibilidade

Depois que o campo magnético é removido, o material permanece agregado por pelo menos 24 horas. Em seguida, ele se desagrega a uma velocidade que depende da temperatura na qual foi preparado. "Quanto mais alta a temperatura, quanto mais intenso o efeito e mais tempo ele permanece agregado fora do campo magnético, "Grein-Iankovski disse.

De acordo com Loh, a reversibilidade do material é um ponto positivo. "Em nossa visão, ser capaz de organizar e desorganizar o material, para 'ligar e desligar o sistema', é uma vantagem, "Loh disse." Podemos ajustar a temperatura, quanto tempo permanece agregado, comprimento do cílio, e densidade do revestimento. Podemos personalizar o material para muitos tipos diferentes de uso, organizá-lo e modelá-lo para fins específicos. Eu acredito que as aplicações potenciais são inúmeras, de usos biológicos a físicos, incluindo aplicações de ciência de materiais. "

Outra grande vantagem, Grein-Iankovski acrescentou, é a possibilidade de manipular o material externamente, onde a ferramenta usada para fazer isso não está dentro do sistema. "Os filamentos podem ser usados ​​para homogeneizar e mover partículas em um microssistema de fluido, em microcanais, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, por exemplo."

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, " ele disse.

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.