L'IMB-CNM desenvolupa un microdispositiu pioner per a estimular cèl·lules de manera sense fil i precisa

_{Imatge presa amb un Scanning Electron Microscope (SEM) i acolorida. El color vermell/blau representa el camp elèctric local que generen les nanofulles i el blanc són llamps d'electricitat. El morat és la cèl·lula i té dos microdispositius, un dins i un fora. IMB-CNM.}

Un equip de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) dissenya i desenvolupa uns nous microdispositius, basats en microtecnologia de silici i òxid de zinc per a l'estimulació de cèl·lules de manera individualitzada en el cos humà, de manera no invasiva. L'aplicació futura se centrarà en teràpies d'electromodulació sense fils, amb el potencial de tractar malalties degeneratives, neurològiques o musculars, regenerar teixits o facilitar la cicatrització.

Els dispositius terapèutics que estimulen elèctricament el cos —coneguts com electroceuticals— representen una alternativa per a modular funcions biològiques o tractar diverses malalties. Existeixen exemples consolidats, com els marcapassos, però són dispositius mil·limètrics que actuen sobre regions extenses de teixit. La tendència actual es dirigeix cap als micro i nanodispositius, capaços d'estimular regions molt concretes de l'organisme i fins i tot cèl·lules individuals. Això permet una medicina molt més personalitzada, amb menys efectes secundaris i de manera menys invasiva.

En aquest context, els materials piezoelèctrics ofereixen una via disruptiva. La seva capacitat per a miniaturitzar-se i generar electricitat a partir d'esforços mecànics —com a deformacions o ultrasons— permet fabricar dispositius a escala cel·lular capaços d'estimular de manera precisa i controlada aquestes cèl·lules. Amb això s'obre la possibilitat de modular l'activitat de cèl·lules excitables, com a neurones o fibres musculars, i també d'enviar senyals a cèl·lules no excitables, com les òssies o osteoblastos; afavorint en elles processos de regeneració, proliferació o migració.

La recerca de l'IMB-CNM proposa un microdispositiu pioner en el seu camp, capaç d'estimular cèl·lules individuals amb una resolució extraordinària i, al mateix temps, amb una grandària suficient per a evitar la seva internalització per part de les pròpies cèl·lules. Aquest aspecte resulta clau, ja que permet molta més precisió del senyal aplicat o tractament, a diferència d'altres enfocaments basats en nanopartícules, en els quals no es pot regular quantes partícules entren en cada cèl·lula. En aquest context, la fabricació de les micropartícules, realitzada íntegrament a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació del l'IMB-CNM, s'ha enriquit de l'àmplia experiència prèvia de l'institut en l'àmbit de les micropartícules intracel·lulars.

El dispositiu està format per micropartícules de diòxid silici recobertes amb nanofulles d'òxid de zinc, que actuen com a nanogeneradors piezoelèctrics. Aquests microdispositius generen senyals elèctrics en rebre l'estrès mecànic derivat de la pròpia adhesió cel·lular, la qual cosa permet estimular de manera directa i localitzada a les cèl·lules en contacte.

"El procés de fabricació del microdispositiu ofereix una gran versatilitat, ja que permet ajustar tant la grandària de les partícules de silici com les dimensions de les nanofulles, facilitant la seva adaptació als diferents requeriments d'estimulació de cada tipus cel·lular” explica Laura Lefaix, investigadora predoctoral en l'IMB-CNM i primera autora de la publicació. “Optimitzant les nanoestructures integrades en el microdispositiu mantenim els beneficis de les interaccions en la nanoescala i afavorim la seva funcionalitat com nanogenerador a hora d'estimular cèl·lules. D'altra banda, en ajustar la grandària de la micropartícula base, facilitem el control espacial i la interacció amb cèl·lules individuals”.

El seu disseny es basa en materials biocompatibles, com l'òxid de zinc, i permet la integració de tecnologies microelectromecàniques o MEMS, que són sistemes en miniatura que combinen components elèctrics i mecànics en una mateixa plataforma, i que poden incorporar sensors, actuadors o circuits de control. Aquesta compatibilitat obre la porta a dotar als dispositius de funcionalitats addicionals i d'un cert grau de “intel·ligència”, la qual cosa multiplica el seu potencial en aplicacions biomèdiques avançades.

En el cas de l'estudi, s'utilitzen dues línies cel·lulars de cèl·lules òssies, osteoblasts sans i cèl·lules cancerígenes d'osteosarcoma. S'analitzen diferents grandàries de les nanofulles i de micropartícules i com influeixen tant en les respostes cel·lulars com en la capacitat d'internalització. A més, l'estudi revela que les cèl·lules tumorals van arribar a internalitzar fins a un 50% dels microdispositius, enfront de menys del 10% en el cas de les cèl·lules sanes.

“Aquests microdispositius obren el camí a teràpies sense fils a nivell cel·lular, molt més precises i segures. A diferència de les nanopartícules, permeten controlar millor l'estímul en cada cèl·lula i, gràcies a estar basats en tecnologia de silici, tenen un enorme potencial per a aplicacions biomèdiques avançades”, afegeix Gonzalo Murillo, coordinador del projecte en el qual s'emmarca l'estudi i Premi Nacional de Recerca per a Joves ‘Ángela Ruiz Robles’ 2023.

El treball ha estat publicat en la revista Advanced Science amb el títol Tailoring Piezoelectric Nanogenerators and Microdevices for Cellular Excitation: Impact of Size and Morphology. La recerca és una col·laboració de l'IMB-CNM al costat de la Universitat Autònoma de Barcelona. Aquest avanç suposa un pas important cap a teràpies més precises, menys invasives i més segures.

• Andreu Blanquer, Gonzalo Murillo, Laura Lefaix, Marc Navarro i Carme Nogués a l'IMB-CNM.
• Imatge presa amb un Scanning Electron Microscope (SEM) i acolorida. El color vermell/blau representa el camp elèctric local que generen les nanosheets i el blanc són raigs d'electricitat. El que és morat és la cèl·lula i té dos microdispositius, un dins i un fora. IMB-CNM.
• Imatge de microscopi dels dispositius fabricats sobre l'oblia. IMB-CNM.
• Nanodispositius en contacte amb la cèl·lula. IMB-CNM.