GEMS ultrapequeños que cambian de forma ofrecen una forma más fácil y económica de mejorar las imágenes de resonancia magnética
Se utiliza un molde maestro de silicona dura para crear un molde de polímero flexible, que se voltea y se llena con hidrogel. Luego, el hidrogel se cura con luz ultravioleta, produciendo micropartículas cilíndricas. Crédito: S. Kelley/NIST
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Se utiliza un molde maestro de silicona dura para crear un molde de polímero flexible, que se voltea y se llena con hidrogel. Luego, el hidrogel se cura con luz ultravioleta, produciendo micropartículas cilíndricas. Crédito: S. Kelley/NIST
Las sondas magnéticas microscópicas que cambian de forma en respuesta al entorno podrían mejorar enormemente las imágenes por resonancia magnética (MRI). Sin embargo, la producción de las sondas, que aún son experimentales y aún no se han utilizado en humanos, requirió acceso a una sala limpia y conocimientos especializados en nanofabricación, lo que limitó su uso generalizado.
Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han llevado estas sondas que cambian de forma, conocidas como sensores magnéticos codificados geométricamente, o GEMS, un paso más allá al revelar un nuevo método de fabricación que no sólo es más rápido y más barato, sino que también también elimina la necesidad de instrumentos especializados.
Los científicos reportó su trabajo en línea el 19 de diciembre en Sensores SCA.
En lugar de construir las diminutas sondas capa por capa en una instalación de nanofabricación, el equipo las construyó utilizando un molde maestro de precisión. Esta técnica permite a los investigadores producir GEMS en sus propios laboratorios utilizando materiales económicos y equipos fácilmente disponibles.
Los científicos del NIST Gary Zabow y Samuel Oberdick y sus colegas han centrado sus esfuerzos en construir GEMS en forma de pequeños cilindros huecos porque esa forma se puede fabricar fácilmente con un molde. Para su molde maestro, los científicos construyeron una serie de cilindros huecos hechos de silicio duro, cada uno de unos 100 micrómetros de diámetro, unas diez veces más grande que un glóbulo rojo.
Las micropartículas se sumergen en un baño de sales de hierro, impregnando el hidrogel con sales de hierro. Luego se transfieren a una solución de alto pH, que transforma las sales de hierro del hidrogel en partículas magnéticas de óxido de hierro. Crédito: S. Kelley/NIST
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Las micropartículas se sumergen en un baño de sales de hierro, impregnando el hidrogel con sales de hierro. Luego se transfieren a una solución de alto pH, que transforma las sales de hierro del hidrogel en partículas magnéticas de óxido de hierro. Crédito: S. Kelley/NIST
Luego, el equipo demostró cómo los investigadores con este molde maestro podían completar el proceso de fabricación de varios pasos. Primero, los científicos hicieron un molde blando «negativo» del maestro vertiendo un polímero líquido encima del molde de silicio duro, permitiendo que se solidificara y luego retirándolo. Esto creó un molde flexible con una serie de cavidades cilíndricas huecas.
En el siguiente paso, los científicos llenaron cada cavidad con un precursor líquido de un hidrogel: una red de polímeros reticulados que pueden absorber grandes cantidades de agua. El hidrogel, que está diseñado para encogerse o hincharse en respuesta a cambios en la acidez u otras propiedades de su microambiente, es un componente clave de GEMS. Los hidrogeles diseñados son baratos y fáciles de fabricar.
Después de endurecer los hidrogeles exponiéndolos a luz ultravioleta, el equipo del NIST los sacó del molde blando, de forma similar a sacar cubitos de hielo de una bandeja de silicona. Luego, los hidrogeles cilíndricos se sumergieron en un baño de sales de hierro y se transfirieron a una solución básica, que convirtió las sales de hierro absorbidas por los hidrogeles en partículas de óxido magnético.
La fuerza del campo magnético de cada hidrogel tiene una influencia directa en la resonancia magnética, que manipula los diminutos campos magnéticos de los protones para obtener imágenes de las estructuras internas del cuerpo humano. Los protones se comportan como peonzas magnetizadas que giran, cada una de las cuales inicialmente apunta en una dirección aleatoria.
Cuando se colocan en un fuerte campo magnético externo (etiquetado como M), las partículas de óxido de hierro se magnetizan, lo que hace que las micropartículas desarrollen su propio campo magnético local. Las micropartículas se encogen y se hinchan con los cambios de acidez, lo que fortalece o debilita este campo local y, por tanto, en qué medida influye el campo en la frecuencia de resonancia de los protones durante una resonancia magnética. Crédito: S. Kelley/NIST
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Cuando se colocan en un fuerte campo magnético externo (etiquetado como M), las partículas de óxido de hierro se magnetizan, lo que hace que las micropartículas desarrollen su propio campo magnético local. Las micropartículas se encogen y se hinchan con los cambios de acidez, lo que fortalece o debilita este campo local y, por tanto, en qué medida influye el campo en la frecuencia de resonancia de los protones durante una resonancia magnética. Crédito: S. Kelley/NIST
Una máquina de resonancia magnética alinea el campo magnético de los protones con su propio campo magnético fuerte y luego interrumpe esta alineación haciendo cosquillas a los protones con un pulso de ondas de radio a una frecuencia resonante que hace que los protones se «relajen» alternativamente en sus estados originales y luego se vuelvan alineado nuevamente. A medida que los protones circulan entre los dos estados, emiten ondas de radio, que se traducen en imágenes de resonancia magnética.
Sin embargo, los hidrogeles cambian de forma en respuesta a cambios en las condiciones locales y, como resultado, su campo magnético se fortalece o debilita.
Cambiar el campo magnético de GEMS altera la frecuencia de resonancia de los protones dentro o cerca de las sondas. Al medir el cambio, la resonancia magnética puede detectar cómo los GEMS han alterado su forma en respuesta a una propiedad específica en su entorno local.
Los GEMS construidos con el proceso de moldeo blando se pueden adaptar para cambiar su forma de acuerdo con una variedad de propiedades ambientales, lo que permite a los investigadores usar las sondas para explorar una variedad de condiciones biomédicas, dijo Oberdick.
Mas informaciones:
Samuel D. Oberdick et al, Micropartículas de magnetogel con forma para detección y contraste de resonancia magnética multiespectral, Sensores SCA (2023). DOI: 10.1021/acsensors.3c01373
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía del NIST. Leer la historia original aquí.
