La propulsión acústica de las nanomáquinas depende de su orientación

Las partículas pueden utilizarse para aplicaciones biomédicas

15.03.2022 - Alemania

Por primera vez, físicos de la Universidad de Münster han simulado la propulsión de nanopartículas libremente orientables mediante ondas de ultrasonido viajeras. Han encontrado respuestas a cuestiones fundamentales que hasta ahora se habían interpuesto en el camino de la propulsión acústica de las nanopartículas.

WWU – AG Wittkowski

Una nanopartícula cónica (de color dorado) en el agua. La partícula está expuesta a una onda de ultrasonidos (las flechas verdes indican la dirección de propagación de la onda). Como el ultrasonido incide en la partícula, se crea un campo de flujo en su entorno (las flechas negras del fondo muestran la dirección y la fuerza del flujo en varias posiciones). El campo de flujo provoca la propulsión de la partícula en la dirección de la flecha roja.

Nanomáquinas microscópicas que se mueven como submarinos con propulsión propia, por ejemplo en el cuerpo humano, donde transportan agentes activos y los liberan en un objetivo: Lo que parece ciencia ficción se ha convertido, en los últimos 20 años, en un campo de investigación que crece cada vez más. Sin embargo, la mayoría de las partículas desarrolladas hasta ahora sólo funcionan en el laboratorio. La propulsión, por ejemplo, es un obstáculo. Algunas partículas tienen que recibir energía en forma de luz, otras utilizan propulsiones químicas que liberan sustancias tóxicas. Ninguna de ellas puede considerarse para una aplicación en el cuerpo. Una solución al problema podrían ser las partículas propulsadas acústicamente. Johannes Voß y el profesor Raphael Wittkowski, del Instituto de Física Teórica y del Centro de Nanociencia Blanda de la Universidad de Münster, han encontrado ahora respuestas a cuestiones fundamentales que hasta ahora se interponían en la aplicación de la propulsión acústica. Los resultados se han publicado en la revista "ACS Nano".

Las ondas ultrasónicas viajeras son adecuadas para la propulsión

Los ultrasonidos se utilizan en las nanomáquinas de propulsión acústica porque son bastante seguros para su aplicación en el cuerpo. El autor principal, Johannes Voß, resume la investigación realizada hasta ahora de la siguiente manera: "Hay muchas publicaciones que describen experimentos. Sin embargo, las partículas en estos experimentos casi siempre estaban expuestas a una onda de ultrasonido estacionaria. Es cierto que esto simplifica considerablemente los experimentos, pero al mismo tiempo hace que los resultados sean menos significativos en cuanto a posibles aplicaciones, porque en ese caso se utilizarían ondas de ultrasonido viajeras". Esto se debe a que las ondas estacionarias se producen cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se superponen.

Lo que tampoco tuvieron en cuenta los investigadores es que en las aplicaciones las partículas pueden moverse en cualquier dirección. Así, dejaron de lado la cuestión de si la propulsión depende de la orientación de las partículas. En su lugar, sólo se fijaron en las partículas alineadas perpendicularmente a la onda de ultrasonidos. Ahora, por primera vez, el equipo de investigadores de Münster ha estudiado los efectos de la orientación mediante elaboradas simulaciones por ordenador.

Llegaron a la conclusión de que la propulsión de las nanopartículas depende de su orientación. Al mismo tiempo, el mecanismo de propulsión acústica de las ondas de ultrasonido que viajan funciona tan bien para todas las orientaciones de las partículas -es decir, no sólo exactamente perpendiculares a la onda de ultrasonido- que estas partículas pueden utilizarse realmente para aplicaciones biomédicas. Otro aspecto que examinaron los físicos de Münster fue la propulsión que mostraban las partículas cuando eran expuestas a ultrasonidos procedentes de todas las direcciones (es decir, "ultrasonidos isotrópicos").

Una base para el paso a la aplicación

"Nuestros resultados mostraron cómo se comportarán las partículas en las aplicaciones y que la propulsión tiene las propiedades adecuadas para que las partículas puedan utilizarse realmente en estas aplicaciones", concluye Johannes Voß. Como añade Raphael Wittkowski, "hemos revelado importantes propiedades de las nanopartículas propulsadas acústicamente que no se habían estudiado anteriormente, pero que es necesario comprender para poder dar el paso de la investigación básica a las aplicaciones previstas con las partículas."

Los dos investigadores de Münster examinaron las partículas cónicas, ya que pueden moverse rápidamente incluso con una intensidad baja de ultrasonidos -es decir, tienen una propulsión eficiente- y además pueden producirse fácilmente en grandes cantidades. Las partículas tienen un tamaño de casi un micrómetro, casi mil nanómetros. En comparación, un glóbulo rojo tiene un diámetro de unos 7,7 micrómetros. Esto significa que las nanopartículas podrían desplazarse por el torrente sanguíneo sin obstruir los vasos sanguíneos más finos. "El tamaño de las partículas puede seleccionarse en función de lo que se necesite en la aplicación concreta que se pretenda, y el mecanismo de propulsión también funciona en el caso de partículas más pequeñas y más grandes", explica Johannes Voß. "Hemos simulado las partículas en agua, pero la propulsión también es adecuada para otros fluidos y para tejidos".

Mediante simulaciones por ordenador, el equipo investigó sistemas y sus propiedades que no pudieron estudiarse en los numerosos experimentos anteriores. De cara al futuro, Raphael Wittkowski afirma: "Un paso importante sería que la investigación basada en experimentos pasara a estudiar estos sistemas".

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