La tecnología de microfluidos se ha vuelto cada vez más importante en muchos campos científicos como la medicina regenerativa, la microelectrónica y las ciencias ambientales. Sin embargo, las técnicas convencionales de microfabricación enfrentan limitaciones en la escala y en la construcción de redes complejas. Estas barreras se agravan cuando se crean redes de microfluidos 3D más complejas.
Ahora, investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado una técnica nueva y conveniente para crear redes de microfluidos 3D tan complejas. ¿Sus herramientas? Plantas y hongos. El equipo creó un medio de “suelo” utilizando nanopartículas de vidrio (sílice) y un agente aglutinante a base de celulosa, y luego permitió que plantas y hongos echaran raíces en él. Después de retirar las plantas, el vidrio quedó con una compleja red de microfluidos 3D de agujeros huecos del tamaño de un micrómetro donde alguna vez estuvieron las raíces.
El nuevo método también se puede utilizar para observar y preservar estructuras biológicas tridimensionales que normalmente son difíciles de estudiar en el suelo, abriendo nuevas oportunidades para la investigación en biología de plantas y hongos. Sus hallazgos se publican en la revista. Informe científico.
“La motivación principal de esta investigación fue superar las limitaciones de las técnicas de microfabricación convencionales en la creación de estructuras microfluídicas 3D complejas. El enfoque de nuestro laboratorio es la biomimética, donde miramos a la naturaleza e intentamos resolver problemas de ingeniería replicando dichas estructuras artificialmente”, explica. Profesor Fujio Tsumori de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu, quien dirigió la investigación. “¿Y qué mejor ejemplo de microfluidos en la naturaleza que las raíces de las plantas y las hifas de los hongos? Entonces, nos propusimos desarrollar un método que pudiera explotar los patrones de crecimiento natural de estos organismos y crear redes de microfluidos optimizadas”.
Los investigadores comenzaron creando una mezcla similar a la “tierra” para el crecimiento de las plantas, pero en lugar de tierra, combinaron el medio de crecimiento con hidroxipropilmetilcelulosa como agente aglutinante con nanopartículas de vidrio de menos de 1 μm de diámetro. Luego siembran las semillas en esta mezcla de “tierra” y esperan a que las plantas echen raíces. Después de asegurar el crecimiento exitoso de las plantas, se horneó la “tierra” dejando solo la cavidad de la raíz con vidrio.
“El proceso se llama sinterización, que fusiona partículas finas en un estado más sólido. Es similar a la metalurgia de polvos en la fabricación de cerámica”, continuó Tsumori. “En este caso es la planta la que hace el molde”.
Su método fue capaz de replicar la compleja estructura biológica de la raíz principal de una planta, que puede tener hasta 150 μm de diámetro, y los pelos de la raíz subyacente, que pueden tener aproximadamente 8 μm de diámetro. Experimentos con otros organismos han demostrado que el método puede incluso replicar estructuras de raíces de hongos llamadas hifas.
“Las hifas son más delgadas y pueden tener tan solo 1-2 μm de diámetro. Esto es más delgado que una sola hebra de seda de araña”, dice Tsumori.
El equipo espera que su nueva técnica de fabricación de microfluidos bioinspirada pueda utilizarse en diversos campos de la ciencia y la ingeniería, lo que podría conducir a microrreactores más eficientes, intercambiadores de calor mejorados y andamios innovadores de ingeniería de tejidos.
“En las ciencias biológicas, esta técnica proporciona una herramienta única para estudiar la compleja estructura tridimensional de las raíces de las plantas y las redes de hongos, lo que puede mejorar nuestra comprensión de los ecosistemas del suelo”, concluyó Sumori. “Al unir los sistemas biológicos y la ingeniería, nuestra investigación tiene el potencial de allanar el camino para nuevas tecnologías y descubrimientos científicos”.