Inspirado por la naturaleza: Los científicos han desarrollado un microchip de nanoporo-microchip
A los profesionales de la medicina y a los analistas ambientales les gustaría tener microchips que midan las sustancias directamente in situ. Los científicos de la Universidad Técnica de Darmstadt han desarrollado y patentado un sistema basado en nanoporos con un amplio potencial.
El profesor Wolfgang Ensinger e Ivana Duznovic examinan su producto altamente sensible: Un chip con sensores hechos de nanoporo sintético.
Katrin Binner
Cualquier persona que desee utilizar lecturas de laboratorio para diagnosticar un trastorno o para controlar su progreso, o que desee analizar la contaminación de las aguas residuales con pesticidas o medicamentos, casi siempre debe enviar las muestras a un laboratorio y esperar los resultados. Eso lleva tiempo. Un "sistema de laboratorio en un chip" determina las lecturas directamente en el médico o en el lugar del muestreo.
Tan grandes como una tarjeta de crédito y con la funcionalidad de un laboratorio, estos sistemas funcionan más rápido, menos costosos y más eficientemente que un laboratorio clásico, sin dejar de ser igual de precisos, robustos y fiables. Los grupos de investigación dirigidos por Wolfgang Ensinger, profesor de tecnología de materiales, y Helmut Schlaak, profesor de ingeniería eléctrica y tecnología de la información de la Universidad Técnica de Darmstadt, han desarrollado, en el marco del proyecto iNAPO de LOEWE, un prototipo para un "sistema de laboratorio en un chip" que mide sustancias con sensores hechos de nanoporos sintéticos. La química Ivana Duznovic y el ingeniero eléctrico Mario El Khoury participan en el proyecto.
Los científicos se inspiraron en la naturaleza en su trabajo. Integrados en las membranas celulares, los nanoporos biológicos aseguran que las sustancias puedan ser transportadas desde el exterior hacia el interior o viceversa. De este modo, funcionan como esclusas o como sistemas de transporte selectivo especializados en determinadas sustancias. Hasta ahora no ha habido ningún sistema técnico que pueda competir con la sensibilidad y especificidad de los nanoporos biológicos. Su capacidad de rendimiento es insuperable. Es cierto que los nanoporos biológicos no son adecuados para su aplicación técnica, ya que son demasiado frágiles. Ensinger y Duznovic decidieron entonces utilizar nanoporos sintéticos, a los que equiparon con un sensor químico o biológico. Para ello, las superficies de los nanoporos fueron funcionalizadas en consecuencia. "Nuestro objetivo es desarrollar una nueva generación de sensores que, alineados con sus modelos biológicos, ofrezcan una alta sensibilidad y capacidad de rendimiento", afirma Ensinger. "Cuando integramos estos sensores de inspiración biológica en un sistema de microfluidos con electrónica de análisis portátil, se convierte en un sistema de "laboratorio en un chip", añade Schlaak.
Hay que reconocer que para ello son necesarios varios pasos. En primer lugar, hay que producir los nanoporos sintéticos. Esto ocurre mediante el bombardeo de láminas de polímero con iones pesados. Esta tarea es llevada a cabo por el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados de la GSI en Darmstadt. Una vez que las láminas han sido bombardeadas, los nanoporos se agrandan y adquieren una forma cónica.
Luego tienen una abertura estrecha y ancha y parecen un embudo. Los nanoporos se agrandan tratando la lámina de un lado con una solución alcalina. "A través del proceso cáustico surgen grupos de carboxi libres a través de los cuales los nanoporos pueden ser funcionalizados mediante la química de acoplamiento", explica Ivana Duznovic. "Básicamente, podemos adjuntar cualquier cosa que queramos a los grupos de carbohidratos. Sin embargo, sólo son adecuadas aquellas sustancias que son biológicamente o químicamente relevantes y con cuya ayuda podemos verificar biomoléculas relevantes para fines de diagnóstico o análisis ambiental con una alta especificidad y sensibilidad. De lo contrario, el sensor no tendría sentido".
Los nanoporos fueron funcionalizados para, entre otras cosas, la verificación de la histamina. La histamina desempeña un papel clave en las reacciones alérgicas y también podría ser importante en relación con la demencia de Alzheimer. La verificación que Ensinger y Duznovic han creado se basa en una reacción de desplazamiento.
Una sustancia acoplada a un grupo de carboxi se une a un ión de metal que también puede unirse a la histamina. Si la muestra contiene histamina, el ión metálico se traslada a la histamina, lo que puede reconocerse por una caída de corriente a través de los nanoporos. La regla aquí es: cuanto más fuerte cae la corriente, más histamina hay en la muestra. Como la sustancia acoplada al grupo de los carboxi puede recargarse con el ión metal, los nanoporos pueden regenerarse y utilizarse para una posterior verificación.
El siguiente paso es el desarrollo del sistema "lab-on-achip". "Ya tenemos un microchip en funcionamiento, pero aún quedan algunos problemas por resolver, ya que se supone que la verificación no sólo funciona en soluciones acuosas, sino también en una muestra de sangre", dice Schlaak. Como al equipo le gustaría reutilizar el chip por razones de coste y como esto es básicamente posible debido a la regenerabilidad de los nanoporos, no debería haber ninguna falsificación de los resultados posteriores del uso inicial. "No podemos tener ningún efecto memoria", dice El Khoury en pocas palabras. Un "cuello de botella" para la comercialización es también la búsqueda de un candidato adecuado para la verificación correspondiente, por ejemplo, en el caso de los medicamentos. "Necesitamos un marcador que ya haya sido validado en consecuencia", dice Ensinger. "Debe estar seguro de que la verificación es realmente sensata y útil, por ejemplo, para el diagnóstico, la detección o la monitorización del progreso de un trastorno", continúa el técnico de materiales. "Actualmente estamos buscando candidatos interesantes y ya estamos colaborando con el Hospital Universitario de Maguncia. Sin embargo, estamos abiertos a otras ideas".
Un "sistema de laboratorio en un chip" basado en nanoporos bioinspirados sólo puede crearse en estrecha colaboración con otras disciplinas. Por ello, Ensinger y Schlaak elogian el procedimiento interdisciplinario del proyecto LOEWE iNAPO. Químicos, biólogos, tecnólogos de materiales, físicos e ingenieros eléctricos participaron en el desarrollo. "Estamos muy bien preparados para este tipo de proyectos en TU Darmsatdt", dice Ensinger. Como siguiente paso, el equipo quiere equipar las superficies de las nanosondas para la verificación de proteínas y así poder identificar biomarcadores complejos.
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