Popeye hizo que las espinacas fueran famosas como vegetales para el desarrollo muscular. Pero las verduras algún día podrían hacerte más fuerte sin ser comido, cuando los científicos las usan para desarrollar una nueva clase de músculos artificiales. Esta semana, un equipo en Taiwán reveló células de cebolla chapadas en oro que prometen expandirse, contraerse y flexionarse en diferentes direcciones al igual que el tejido muscular real.
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Los músculos artificiales tienen una amplia gama de aplicaciones posibles, desde ayudar a humanos heridos hasta alimentar robots, y hay muchas maneras de tratar de construirlos. El año pasado, por ejemplo, los científicos desarrollaron un conjunto de músculos artificiales a partir de una línea de pesca simple que podría levantar 100 veces más que los músculos humanos del mismo tamaño y peso. Pero aún no ha surgido una forma claramente superior de hacer un músculo falso.
"Hay músculos artificiales desarrollados con elastómeros, aleaciones con memoria de forma, compuestos piezoeléctricos, polímeros conductores de iones y nanotubos de carbono", dice Wen-Pin Shih de la Universidad Nacional de Taiwán en Taipei. "Los mecanismos y funciones de conducción son muy diversos". Algunos tipos de músculos artificiales son impulsados por la presión, como en los sistemas neumáticos, mientras que otros crean movimiento a través de cambios de temperatura o corriente eléctrica.
Un desafío importante para los fabricantes de músculos artificiales ha sido diseñar sus materiales para doblarse y contraerse al mismo tiempo, como lo hacen los músculos reales. Cuando alguien flexiona la clásica postura de "hacer un músculo", por ejemplo, sus bíceps se contraen pero también se doblan hacia arriba para levantar el antebrazo. Shih y sus colegas intentaban diseñar un músculo artificial que pudiera doblarse y contraerse simultáneamente de esta manera, y descubrieron que la estructura y las dimensiones de la piel de cebolla eran muy similares a la microestructura que tenían en mente.
Para poner a prueba la verdura picante, el grupo de Shih primero tomó una sola capa de células epidérmicas de una cebolla fresca pelada y la lavó con agua. Luego, el equipo liofilizó la cebolla para eliminar el agua mientras dejaba intactas sus paredes celulares. Ese proceso volvió la microestructura rígida y quebradiza, por lo que trataron la cebolla con ácido para eliminar una proteína que endurece las células llamada hemicelulosa y restaurar la elasticidad.
Se hizo que las capas de cebolla se movieran como músculos al convertirlas en un actuador electrostático. Esto significaba recubrirlos con electrodos de oro, que conducen la corriente. El oro se aplicó en dos espesores: 24 nanómetros en la parte superior y 50 nanómetros en la parte inferior, para crear diferentes rigideces de flexión y hacer que las células se flexionen y estiren de manera realista. Esto combina muy bien con la tendencia natural de la piel de cebolla a doblarse en diferentes direcciones cuando se somete a diferentes voltajes debido a la atracción electrostática.
El equipo hizo "pinzas" musculares de células de piel de cebolla. (Shih Lab, Universidad Nacional de Taiwán) Los voltajes más bajos de 0 a 50 voltios hicieron que las células se alargaran y se aplanaran de su estructura curva original, mientras que los voltajes más altos de 50 a 1000 voltios hicieron que el músculo vegetal se contrajera y se doblara hacia arriba. Al controlar estos voltajes para variar los movimientos musculares, dos de los arreglos de cebolla se usaron como pinzas para agarrar una pequeña bola de algodón, informaron Shih y sus colegas esta semana en Cartas de Física Aplicada .
Pero ese éxito requirió un voltaje relativamente alto, que Shih llama el principal inconveniente del concepto hasta la fecha. Se necesitan voltajes más bajos para controlar el músculo con pequeñas baterías o componentes de microprocesador, que serían más adecuados para implantes eléctricos o piezas de robots. "Tendremos que comprender mejor la configuración y las propiedades mecánicas de las paredes celulares para superar este desafío", señala.
Las células de cebolla proporcionan algunas ventajas sobre los intentos anteriores de usar células musculares vivas para crear tejido artificial, dice Shih. "Cultivar células para formar una pieza de tejido muscular para generar fuerza de tracción sigue siendo muy difícil", dice Shih. “La gente ha tratado de usar músculo vivo antes. Pero entonces, cómo mantener vivas las células musculares se convierte en un problema. Utilizamos células vegetales porque las paredes celulares proporcionan fuerza muscular tanto si las células están vivas como si no ”.
Sin embargo, la durabilidad es un problema: el chapado en oro ayudó a proteger los músculos de la cebolla, pero la humedad aún puede penetrar en las paredes celulares y cambiar las propiedades del material. Shih tiene una idea para abordar este problema, que pronto podría ponerse a prueba. "Podríamos cubrir el músculo artificial de cebolla con una capa muy delgada de flúor", dice. "Eso hará que el músculo artificial sea impermeable a la humedad, pero no cambiará la suavidad del dispositivo".
