Nous microdispositius bioelectrònics permeten l'estimulació cel·lular remota mitjançant ultrasons

L'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), han desenvolupat una nova generació de microdispositius piezoelèctrics sense fils capaços d'estimular elèctricament cèl·lules vives a nivell individual. L’estudi, publicat recentment en la revista Small i seleccionat com a portada principal, demostra com aquests microdispositius poden convertir forces mecàniques, ja siguin produïdes per les pròpies cèl·lules o aplicades externament mitjançant ultrasons, en senyals elèctrics que permeten l'activació de processos cel·lulars de manera controlada i no invasiva.

Aquest treball s'emmarca en l'àmbit de l’electrocèutica, teràpies basades en l'aplicació d'estímuls elèctrics per a modular processos cel·lulars o tissulars que, al seu torn, permeten el control de senyals o la reparació de teixits. Per a valorar l'abast, és necessari aclarir què s'entén per “activació cel·lular”. Aquest concepte es refereix a la resposta d'una cèl·lula davant un estímul, sigui intern o extern, que desencadena processos a nivell cel·lular, com la proliferació o diferenciació. En aquest estudi, l'estímul és el camp elèctric local produït per nanogeneradors piezoelèctrics d'òxid de zinc en resposta a una actuació mecànica. Aquesta acció produeix un increment en l'activació cel·lular. mitjançant rutes de senyalització per calci en el moment de l'estímul.

“Els microdispositius desenvolupats aconsegueixen aplicar estímuls en cèl·lules individuals i, a causa de la seva grandària de desenes de micres, permetria una teràpia molt precisa i dirigida. A més, aquesta estimulació és sense fil i mínimament invasiva perquè s'actuen de manera remota mitjançant ultrasons en el rang biomèdic”, aclareix Laura Lefaix, investigadora de l’IMB-CNM-CSIC en el grup NEMESYS Lab i primera autora de l'estudi. 

Piezoelectricitat per a estimulació cel·lular

A l'hora de fabricar aquests dispositius, la Sala Blanca de l’IMB-CNM ha estat clau en el procés. La microfabricació basada en silici és la base tecnològica que permet el desenvolupament de micropartícules de diòxid de silici sobre les quals s'integren aquests nanogeneradors d'òxid de zinc. Aquest material piezoelèctric és el responsable de generar un camp elèctric local en ser sotmès a una deformació mecànica, en aquest cas pels ultrasons. 

Els assajos cel·lulars que han permès confirmar la funcionalitat dels microdispositius s'han dut a terme en les instal·lacions del departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia de la UAB, en el grup liderat per Andreu Blanquer i Carme Nogués, BioTEn Lab. L'equip investigador va emprar diversos indicadors per a avaluar l'activació, entre ells, canvis en els nivells de calci intracel·lular i variacions en el potencial de membrana, tots dos fonamentals en la senyalització cel·lular, el procés mitjançant el qual les cèl·lules reben i responen a senyals. En aquest sentit, Andreu Blanquer destaca que “els resultats obtinguts han permès demostrar que aquests microdispositius són capaços d'induir canvis a nivell de membrana cel·lular i conèixer el mecanisme pel qual s'activen les cèl·lules. Aquest tipus de modulació bioelèctrica és clau per a entendre com els estímuls físics poden traduir-se en senyals biològics".

El treball combina simulació i experimentació, la qual cosa permet comprendre els mecanismes de funcionament de l'estimulació, així com validar el funcionament dels microdispositius. Un dels principals reptes consistia a avaluar els paràmetres de l'actuació mitjançant ultrasons per a una òptima estimulació elèctrica de les cèl·lules, així com entendre els mecanismes fonamentals pels quals es produeix aquesta interacció. 

Laura Lefaix assenyala que “els resultats validen la idea que es pot reduir la grandària dels dispositius piezoelèctrics a l'ordre de les desenes de micres mantenint la seva funcionalitat”, la qual cosa es reflecteix en què “mitjançant aquest mètode es van activar fins al 58% de les cèl·lules en la mostra de manera controlada”. Els microdispositius es van assajar en cèl·lules òssies (línia Saos-2) pel fet que resulten un model robust per a aquesta mena d'experiments per la presència de canals iònics activats per voltatge en les seves membranes. 

Gonzalo Murillo, investigador de l’IMB-CNM, coordinador de l'estudi i Premi Nacional de Recerca per a Joves 'Ángela Ruiz Robles' 2023, afegeix que, a més de la seva eficàcia, “el microdispositiu presenta avantatges rellevants des del punt de vista tecnològic, ja que és biocompatible, permet una estimulació sense fil i localitzada, i la seva fabricació és escalable i adaptable, la qual cosa facilita la producció massiva de microdispositius amb diferents configuracions”. 

Continuïtat d'una línia de recerca emergent

Titulat Suspendable and Scalable Ultrasound-Actuated ZnO-Nanosheet-Based Piezoelectric Microdevices for Wireless Electrical Stimulation of Cells, l'estudi compta amb una àmplia participació d'investigadors de l'IMB-CNM-CSIC, incloent-hi Laura Lefaix, Gonzalo Murillo, Marc Navarro i Jaume Esteve. Amb la participació de la UAB, Andreu Blanquer i Carme Nogués, i l'Institute of Physiology of the Czech Academy of Sciences, Lucie Bacakova. Els resultats han estat publicats en la revista Small, on l'article ha estat seleccionat com a portada principal, destacant la rellevància i el caràcter innovador del treball.

Donant continuïtat a recerques prèvies de l'equip, el treball va un pas més enllà en la demostració de la capacitat d'aquests microdispositius per a activar cèl·lules mitjançant interaccions electromecàniques amb el material. En aquesta ocasió, s'amplia el concepte mitjançant la introducció d'estimulació remota basada en ultrasons, consolidant una línia de recerca amb gran potencial en l'àmbit de la bioelectrònica.

Article de referència: L. Lefaix, M. Navarro, L. Bacakova, et al. “Suspendable and Scalable Ultrasound-Actuated ZnO-Nanosheet-Based Piezoelectric Microdevices for Wireless Electrical Stimulation of Cells.” Small22, no. 26 (2026): e11170. https://doi.org/10.1002/smll.202511170