Pensándolo bien...

El comportamiento biomimético de la materia activa producida artificialmente es un área fascinante de investigación que se inspira en los sistemas biológicos para diseñar materiales y dispositivos con capacidades similares. Este campo combina principios de la biología, la química, la física y la ingeniería para crear materiales que puedan imitar o replicar funciones de los sistemas vivos.

La materia activa biomimética toma su inspiración de la naturaleza, como el movimiento de los músculos, la capacidad de las células para cambiar de forma, o el comportamiento colectivo de los organismos como los bancos de peces o las bandadas de aves. Estos materiales pueden responder a estímulos externos como la luz, el calor, los campos magnéticos o eléctricos, y los cambios químicos. Por ejemplo, pueden cambiar su forma, moverse o alterar sus propiedades físicas en respuesta a estos estímulos. Las aplicaciones potenciales son muy variadas, incluyendo la creación de robots blandos que pueden navegar por entornos difíciles o peligrosos, materiales que cambian de forma para aplicaciones en medicina, como los stents que se expanden en las arterias, o sistemas de liberación controlada de fármacos. Uno de los principales desafíos es la integración de múltiples funciones en un solo material, así como la creación de sistemas que sean tanto eficientes como sostenibles. Además, la replicación exacta de la complejidad y la eficiencia de los sistemas biológicos sigue siendo un reto. Este campo es altamente interdisciplinario, requiriendo conocimientos de biología para entender los sistemas que se están imitando, así como de física y química para desarrollar los materiales, y de ingeniería para su diseño y aplicación.  Además, hay un interés creciente en asegurar que estos materiales sean sostenibles y no tengan un impacto negativo en el medio ambiente, lo cual es un desafío adicional para los investigadores en este campo. La materia activa biomimética es un ejemplo emocionante de cómo la Ciencia puede aprender de la naturaleza para desarrollar nuevas tecnologías que puedan tener un amplio rango de aplicaciones útiles.

La Dra. Juliane Simmchen, de la Universidad de Strathclyde (Glasgow, Reino Unido) y la Universidad Técnica de Dresde, ha sido distinguida con el Premio Mario Markus de Ciencias Lúdicas. El mérito es, precisamente, por una publicación en la que investigaba el comportamiento biomimético de la materia activa producida artificialmente. Se trata de destacar los trabajos científicos en el campo de las ciencias naturales que se caracterizan por su carácter lúdico. Su trabajo consistió en investigar el movimiento de las micropartículas en líquidos. La reflexión implícita es que para moverse las micropartículas han disponer de energía y el impulso que provoca los desplazamientos.

Los «microswimmers» o nadadores microscópicos son un tema de gran interés en el campo de la materia activa y la robótica blanda. Son pequeñas entidades que pueden moverse a través de fluidos a escalas microscópicas, imitando la forma en que algunos organismos biológicos se desplazan, como las bacterias y los espermatozoides. Los microswimmers utilizan una variedad de mecanismos para propulsarse, que incluyen flagelos artificiales, similares a las colas de los espermatozoides, movimientos ondulatorios del cuerpo o propulsión inducida por reacciones químicas. Estos mecanismos están inspirados en los métodos de locomoción de los microorganismos. Se fabrican a partir de una variedad de materiales, incluyendo polímeros, metales y compuestos híbridos. Algunos microswimmers se diseñan para ser biocompatibles y biodegradables, lo que es crucial para aplicaciones médicas. Controlar estos microswimmers es un desafío de entidad. Se están desarrollando métodos para guiarlos de manera precisa, como el uso de campos magnéticos, luz o gradientes químicos. Una de las aplicaciones más prometedoras de los microswimmers es en el campo de la medicina, como la administración dirigida de medicamentos, donde podrían llevar cargas útiles específicamente a un sitio foco de enfermedad, reduciendo los efectos secundarios de los tratamientos. También tienen potencial para la investigación en entornos microscópicos y para tareas como la descontaminación de ambientes acuáticos, donde pueden usarse para detectar o neutralizar sustancias nocivas. Además, los microswimmers proporcionan un sistema modelo para estudiar fenómenos físicos y biológicos a pequeña escala, como la dinámica de fluidos en el régimen de bajo número de Reynolds y el comportamiento colectivo en sistemas activos. La fabricación a escala microscópica, el control preciso a distancia y la autonomía energética son algunos de los desafíos técnicos clave para el desarrollo de los microswimmers. Los microswimmers son un área fascinante de investigación en la intersección de la física, la química, la ingeniería y la biología, con un potencial significativo para aplicaciones innovadoras, especialmente en el campo de la medicina y la investigación ambiental.

Imagen de nadadores construida con Chat GPT con DALL-E

Un fenómeno especial observado en los microswimmers completamente artificiales, magnéticos y fotocatalíticos, objeto de la distinción referida, consistió en cruzar una línea de luz y luego cambiar de dirección sin ningún estímulo adicional. El interrogante de por qué los microswimmers nadaban «de vuelta a la luz», incluía distintas influencias. La investigadora descubrió que ni el campo magnético ni el contenido de peróxido de hidrógeno tenían efectos significativos. Lo inesperado fue que el tamaño de las partículas era crucial. Es una evidencia de que efectos físicos simples pueden dar lugar a comportamientos complejos pero estables y similares a los mecanismos naturales.

Los microswimmers dirigidos por la luz aprovechan la energía de la luz para propulsarse y maniobrar en su entorno. La propulsión de estos microswimmers a menudo se basa en reacciones fototácticas, donde la luz provoca movimientos o cambios en la estructura del microswimmer que resultan en propulsión. Esto puede incluir la expansión y contracción de materiales sensibles a la luz, la generación de fuerzas osmóticas por desequilibrios químicos causados por la luz, o el uso de fototermia para inducir flujos de fluidos. La dirección y velocidad de los microswimmers pueden ser controladas alterando la intensidad, la dirección, o la longitud de onda de la luz. Esto permite una manipulación precisa de su movimiento, lo que es especialmente útil en entornos confinados o complejos. Los materiales utilizados para fabricar estos microswimmers incluyen polímeros fotosensibles, nanopartículas metálicas que se calientan con la luz, y cristales líquidos que cambian su orientación en respuesta a la luz. Estos dispositivos tienen potencial en biomedicina, especialmente para la administración dirigida de fármacos, donde pueden ser guiados hacia un sitio específico en el cuerpo usando luz externa. Esto podría mejorar la eficacia de los tratamientos y reducir los efectos secundarios. En el ámbito ambiental, pueden utilizarse para monitorear la calidad del agua o para recolectar y analizar muestras en lugares difíciles de alcanzar. Su capacidad para ser controlados con precisión los hace ideales para estas tareas. Aunque la tecnología es prometedora, existen desafíos como la eficiencia energética, la precisión del control en ambientes complejos, y la biocompatibilidad. Además, como con cualquier tecnología emergente, existen consideraciones éticas y de seguridad, especialmente en aplicaciones médicas. La investigación continua en materiales avanzados y en el diseño de microswimmers aumentará su eficacia y abrirá nuevas aplicaciones, desde sistemas de liberación de medicamentos hasta la construcción de estructuras a nanoescala. Los microswimmers dirigidos por la luz representan un emocionante avance en la nanotecnología y la robótica blanda, con un gran potencial para impactar positivamente en la medicina y en la investigación ambiental.