El IMB-CNM desarrolla un microdispositivo pionero para estimular células de forma inalámbrica y precisa

_{Imagen tomada con un Scanning Electron Microscope (SEM) y coloreada. El color rojo/azul representa el campo eléctrico local que generan las nanosheets y el blanco son rayos de electricidad. Lo morado es la célula y tiene dos microdispositivos, uno dentro y uno fuera. IMB-CNM.}

Un equipo del Instituto de Microelectrónica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) y la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) diseña y desarrolla unos novedosos microdispositivos, basados en microtecnología de silicio y óxido de zinc para la estimulación de células de forma individualizada en el cuerpo humano, de manera no invasiva. La aplicación futura se centrará en terapias de electromodulación inalámbricas, con el potencial de tratar enfermedades degenerativas, neurológicas o musculares, regenerar tejidos o facilitar la cicatrización.

Los dispositivos terapéuticos que estimulan eléctricamente el cuerpo —conocidos como electroceuticals— representan una alternativa para modular funciones biológicas o tratar diversas enfermedades. Existen ejemplos consolidados, como los marcapasos, pero son dispositivos milimétricos que actúan sobre regiones extensas de tejido. La tendencia actual se dirige hacia los micro y nanodispositivos, capaces de estimular regiones muy concretas del organismo e incluso células individuales. Esto permite una medicina mucho más personalizada, con menos efectos secundarios y de manera menos invasiva. 

En este contexto, los materiales piezoeléctricos ofrecen una vía disruptiva. Su capacidad para miniaturizarse y generar electricidad a partir de esfuerzos mecánicos —como deformaciones o ultrasonidos— permite fabricar dispositivos a escala celular capaces de estimular de forma precisa y controlada dichas células. Con ello se abre la posibilidad de modular la actividad de células excitables, como neuronas o fibras musculares, y también de enviar señales a células no excitables, como las óseas u osteoblaste; favoreciendo en ellas procesos de regeneración, proliferación o migración.

La investigación del IMB-CNM propone un microdispositivo pionero en su campo, capaz de estimular células individuales con una resolución extraordinaria y, al mismo tiempo, con un tamaño suficiente para evitar su internalización por parte de las propias células. Este aspecto resulta clave, ya que permite mucha más precisión de la señal aplicada o tratamiento, a diferencia de otros enfoques basados en nanopartículas, en los que no se puede regular cuántas partículas entran en cada célula. En este contexto, la fabricación de las micropartículas, realizada íntegramente en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM, se ha enriquecido de la amplia experiencia previa del instituto en el ámbito de las micropartículas intracelulares.

El dispositivo está formado por micropartículas de dióxido silicio recubiertas con nanoláminas de óxido de zinc, que actúan como nanogeneradores piezoeléctricos. Estos microdispositivos generan señales eléctricas al recibir el estrés mecánico derivado de la propia adhesión celular, lo que permite estimular de manera directa y localizada a las células en contacto. 

"El proceso de fabricación del microdispositivo ofrece una gran versatilidad, ya que permite ajustar tanto el tamaño de las partículas de silicio como las dimensiones de las nanoláminas, facilitando su adaptación a los distintos requerimientos de estimulación de cada tipo celular” explica Laura Lefaix, investigadora predoctoral en el IMB-CNM y primera autora de la publicación. “Optimizando las nanoestructuras integradas en el microdispositivo mantenemos los beneficios de las interacciones en la nanoescala y favorecemos su funcionalidad como nanogenerador a hora de estimular células. Por otro lado, al ajustar el tamaño de la micropartícula base, facilitamos el control espacial y la interacción con células individuales”.

Su diseño se basa en materiales biocompatibles, como el óxido de zinc, y permite la integración de tecnologías microelectromecánicas o MEMS, que son sistemas en miniatura que combinan componentes eléctricos y mecánicos en una misma plataforma, y que pueden incorporar sensores, actuadores o circuitos de control. Esta compatibilidad abre la puerta a dotar a los dispositivos de funcionalidades adicionales y de cierto grado de “inteligencia”, lo que multiplica su potencial en aplicaciones biomédicas avanzadas.

En el caso del estudio, se utilizan dos líneas celulares de células óseas, osteoblastos  sanos y células cancerígenas de osteosarcoma. Se analizan diferentes tamaños de las nanoláminas y de micropartículas y cómo influyen tanto en las respuestas celulares como en la capacidad de internalización. Además, el estudio revela que las células tumorales llegaron a internalizar hasta un 50 % de los microdispositivos, frente a menos del 10 % en el caso de las células sanas. 

“Estos microdispositivos abren el camino a terapias inalámbricas a nivel celular, mucho más precisas y seguras. A diferencia de las nanopartículas, permiten controlar mejor el estímulo en cada célula y, gracias a estar basados en tecnología de silicio, tienen un enorme potencial para aplicaciones biomédicas avanzadas”, añade Gonzalo Murillo, coordinador del proyecto en el que se enmarca el estudio y Premio Nacional de Investigación para Jóvenes ‘Ángela Ruiz Robles’ 2023.

El trabajo ha sido publicado en la revista Advanced Science con el título Tailoring Piezoelectric Nanogenerators and Microdevices for Cellular Excitation: Impact of Size and Morphology. La investigación es una colaboración del IMB-CNM junto a la Universidad Autónoma de Barcelona. Este avance supone un paso importante hacia terapias más precisas, menos invasivas y más seguras.

• Andreu Blanquer, Gonzalo Murillo, Laura Lefaix, Marc Navarro y Carme Nogués a las puertas del IMB-CNM.
• Imagen tomada con un Scanning Electron Microscope (SEM) y coloreada. El color rojo/azul representa el campo eléctrico local que generan las nanosheets y el blanco son rayos de electricidad. Lo morado es la célula y tiene dos microdispositivos, uno dentro y uno fuera. IMB-CNM.
• Imagen de microscopio de los dispositivos fabricados sobre la oblea. IMB-CNM.
• Nanodispositivos en contacto con la célula. IMB-CNM.