Científicos de materiales de la Universidad Friedrich Schiller de Jena han desarrollado un material mecanoluminiscente que no sólo permite generar calor localizado mediante ultrasonidos, sino que también proporciona información sobre la temperatura local.
Utilización de ultrasonidos para estimular la emisión de luz y medir la temperatura [1].
Si los materiales mecanoluminiscentes se someten a una tensión mecánica externa, emiten luz visible o invisible. Este tipo de excitación puede producirse, por ejemplo, por pandeo o presión suave, pero también completamente sin contacto mediante ultrasonidos. De este modo, el efecto puede desencadenarse a distancia y la luz puede llegar a lugares que normalmente están a oscuras, por ejemplo, en el cuerpo humano.
Si el tratamiento por ultrasonidos se utiliza al mismo tiempo para generar calor localmente, es importante vigilar de cerca las temperaturas resultantes en un entorno tan sensible.
Científicos de Jena han logrado desarrollar un material mecanoluminiscente. Utilizando ultrasonidos, puede generar un aporte de calor localizado y proporcionar información sobre la temperatura in situ [2].
Durante su trabajo, los científicos de Jena se centran a menudo en las propiedades mecánicas de los materiales inorgánicos, en particular en cómo los procesos mecánicos pueden observarse ópticamente. La emisión de luz inducida mecánicamente puede proporcionar muchos detalles sobre la respuesta de un material a la tensión mecánica. Sin embargo, para ampliar el campo de aplicaciones, a veces es necesario obtener información adicional sobre la temperatura reinante localmente durante la carga, especialmente cuando la excitación se realiza mediante ultrasonidos. En un principio, los científicos se interesaron simplemente por materiales sensores en forma de partículas extremadamente finas que, colocadas en un entorno a analizar, pudieran actuar sobre su entorno mediante una excitación ultrasónica externa y, al mismo tiempo, proporcionar información sobre este efecto.
Para ello, los científicos de Jena han combinado un semiconductor de oxisulfuro con el óxido de erbio, una tierra rara. La estructura semiconductora absorbe la excitación mecánica por ultrasonidos y el óxido de erbio emite luz. La temperatura puede leerse a partir del espectro de la luz emitida mediante termometría óptica. De este modo se controla totalmente la evolución de la temperatura en el material, que también puede verse influida por los ultrasonidos. Se puede estimular un aumento de la temperatura desde el exterior, medirlo mediante la emisión de luz y establecer un circuito de control completo.
La emisión de luz por control remoto combinada con el control de la temperatura abre campos de aplicación completamente nuevos para estos materiales mecanoluminiscentes, por ejemplo en medicina. Un posible campo de aplicación podría ser la terapia fotodinámica, en la que la luz se utiliza para controlar procesos fotofísicos que pueden ayudar al organismo en su curación. Utilizando materiales mecanoluminiscentes multirrespuesta en forma de partículas extremadamente finas, la luz y el calor no sólo podrían generarse en el lugar deseado, sino también controlarse de forma selectiva. Como el tejido biológico es transparente a la luz infrarroja emitida, se puede fijar y controlar desde el exterior la temperatura deseada durante el tratamiento.
Otras aplicaciones en las que la luz y el calor deben dirigirse a lugares oscuros son más evidentes. Por ejemplo, la fotosíntesis u otras reacciones impulsadas por la luz podrían activarse, observarse y controlarse específicamente. Del mismo modo -volviendo al principio-, el material puede utilizarse como sensor para la generación u observación de cambios materiales o como marcador invisible y codificado en superficies materiales.
Ultrasonidos como apoyo a la anestesia local en clínica [3]
En la anestesia local se inyecta un anestésico bajo la piel o directamente en el tejido. Para ello, se introduce un tubo con una aguja metálica en el interior en la región donde se va a administrar el medicamento. Para que este proceso sea aún más preciso y mínimamente invasivo, el Instituto de Investigación Aplicada en Biopolímeros (ibp) de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Hof está investigando un microtubo visible en ultrasonidos que pretende facilitar mucho el trabajo de los anestesistas en los hospitales. El tubo de plástico debería ser claramente visible en la ecografía gracias a unas microestructuras innovadoras.
El reto de la anestesia local es que el tubo de plástico no es visible mediante ecografía, lo que dificulta la colocación precisa del tubo una vez retirada la aguja metálica. En la actualidad, esta deficiencia se sigue compensando administrando mayores cantidades de anestésicos o recurriendo a procedimientos de rayos X más caros con agentes de contraste, lo que puede acarrear efectos secundarios.
El objetivo del proyecto es desarrollar un nuevo tubo de plástico que sea claramente visible en ultrasonidos gracias a microestructuras innovadoras. Para ello, se modificará la microestructura en el polímero, en la superficie y en la punta del tubo. Esto mejorará notablemente la visibilidad ecográfica, lo que facilitará enormemente al anestesista la colocación del tubo y la guía de baja fricción del tubo protegerá el tejido.
En la primera fase del proyecto se especificarán el perfil de requisitos y las especificaciones específicas de la aplicación en materia de biocompatibilidad, es decir, la compatibilidad entre el tejido humano natural y el material. A continuación, se creará un sistema de pruebas y se realizarán los primeros ensayos in vitro para evaluar la visibilidad de los ultrasonidos. Tras los resultados de la investigación, las muestras funcionales producidas se analizarán finalmente en condiciones reales de uso, incluidas pruebas finales para investigar la vida útil y la durabilidad de las microestructuras.
Ondas ultrasónicas móviles como motor [4].
Nanomáquinas microscópicamente pequeñas que se mueven como submarinos con propulsión propia, por ejemplo en el cuerpo humano, donde transportan sustancias activas y las liberan de forma selectiva: Lo que parece ciencia ficción se ha convertido en los últimos 20 años en un campo de investigación en rápido crecimiento. Sin embargo, la mayoría de las partículas desarrolladas hasta la fecha sólo funcionan en el laboratorio. El accionamiento, por ejemplo, es un obstáculo: a algunas partículas hay que suministrarles energía mediante la luz, otras utilizan accionamientos químicos que liberan sustancias tóxicas. Ninguna de ellas es adecuada para su uso en el cuerpo. Una solución al problema podrían ser las partículas impulsadas acústicamente. Johannes Voß y el Prof. Dr. Raphael Wittkowski, del Instituto de Física Teórica y del Centro de Nanociencia Blanda de la Universidad de Münster, han aclarado ahora las cuestiones clave que hasta ahora obstaculizaban la aplicación de la propulsión acústica (Fig. 1) [5].
Fig. 1: La propulsión acústica de nanomáquinas depende de su orientación. Físicos de Münster simulan por primera vez el accionamiento de nanopartículas libremente orientables mediante ondas ultrasónicas viajeras / Estudio en "ACS Nano"
Los ultrasonidos se utilizan para nanomáquinas accionadas acústicamente porque son seguros para aplicaciones en el cuerpo. En muchas de las publicaciones existentes sobre el uso de ultrasonidos para accionar nanomáquinas, las partículas de los experimentos casi siempre se han expuesto a una onda ultrasónica estacionaria. Aunque esto simplifica mucho los experimentos, no tiene mucho sentido de cara a posibles aplicaciones. Esto se debe a que allí se utilizarían ondas ultrasónicas viajeras. Las ondas estacionarias se generan cuando se superponen ondas que viajan en direcciones opuestas. Esto rara vez es factible en aplicaciones reales.
Además, la investigación realizada hasta la fecha no ha tenido en cuenta el hecho de que las partículas pueden moverse en cualquier dirección en las aplicaciones, ignorando así la cuestión de si el accionamiento depende de la orientación de las partículas. En cambio, sólo se centraba en las partículas alineadas perpendicularmente a la onda ultrasónica. El equipo de investigación de Münster ha analizado ahora por primera vez los efectos de la orientación mediante complejas simulaciones por ordenador. El resultado de las investigaciones es que la propulsión de las nanopartículas depende de su orientación. Al mismo tiempo, el mecanismo de propulsión acústica funciona tan bien con ondas ultrasónicas viajeras para todas las orientaciones de las partículas, es decir, no sólo exactamente perpendiculares a la onda ultrasónica, que estas partículas pueden utilizarse realmente para aplicaciones biomédicas. Además, los físicos de la WWU han investigado la propulsión de las partículas cuando se exponen a ultrasonidos procedentes de todas las direcciones ("ultrasonidos isótropos"). Este tipo de ultrasonido también es relevante para algunas aplicaciones potenciales.
Los resultados han mostrado cómo se comportarán las partículas en las aplicaciones y que la propulsión tiene las propiedades adecuadas para poder utilizar realmente las partículas en estas aplicaciones. Se revelaron propiedades importantes de las nanopartículas propulsadas acústicamente que no se habían investigado antes, pero que es necesario comprender para poder dar el paso de la investigación básica a las aplicaciones previstas de las partículas.
Los físicos de la Universidad de Münster investigaron partículas con forma de cono, ya que éstas pueden moverse con rapidez incluso a baja intensidad de ultrasonidos, es decir, tienen una propulsión eficiente, y además pueden producirse fácilmente en grandes cantidades. El tamaño de las partículas es inferior a un micrómetro, es decir, algo menos de mil nanómetros. Por tanto, las partículas podrían desplazarse por el torrente sanguíneo sin obstruir los finos vasos sanguíneos. El tamaño de las partículas puede seleccionarse en función de los requisitos de la aplicación prevista; su mecanismo de propulsión también funciona con partículas más pequeñas y más grandes. Las partículas se simularon en las pruebas en agua, pero la propulsión también es adecuada para otros líquidos y tejidos. Con ayuda de simulaciones por ordenador, el equipo investigó sistemas y sus propiedades que no pudieron analizarse en los numerosos estudios experimentales anteriores.
Bibliografía
[1] Instituto Otto Schott de Investigación de Materiales de la Universidad Friedrich Schiller de Jena
[2] Y. Ding; B. So; J. Cao; L. Wondraczek: Ultrasound-induced mechanoluminescence and optical thermometry toward stimulus-responsive materials with simultaneous trigger response and read-out functions, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202201631
[3] Instituto de Investigación Aplicada de Biopolímeros (ibp) de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Hof.
[4] Universidad Westfälische Wilhelms de Münster
[5] J. Voß; R. Wittkowski: Orientation-dependent propulsion of triangular nano- and microparticles by a travelling ultrasound wave, 2022, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.1c02302
