Dos son mejor que una: hablemos de burbujas producidas por cavitación óptica, y de cómo perforan...




Ciencias físicas

Un estudio en el que participaron investigadores de la Universidad de California y del CICESE, muestra que el chorro resultante de dos burbujas de cavitación inducidas por láser que interactúan entre sí, penetran mejor los materiales blandos (como el tejido biológico), por lo que podrían utilizarse a futuro para administrar rápida y eficientemente agentes terapéuticos, como medicamentos o genes, directamente en células vivas.

El estudio fue publicado recientemente en la revista Physics of Fluids, donde fue reconocido como Editor’s Pick (Selección de los Editores) y distinguido para aparecer en la portada, por ser de gran interés para la comunidad científica en este campo.

Se trata del artículo “Soft material perforation via double-bubble laser-induced cavitation microjets”, cuyo principal autor es Vicente Robles, estudiante de doctorado en el Colegio de Ingeniería “Marlan y Rosemary Bourns”, de la Universidad de California en Riverside (UCR). Entre los coautores figuran Luis Felipe Devia Cruz, posdoctorante en el Departamento de Óptica del CICESE, y Santiago Camacho López, líder del grupo de Procesamiento de Materiales con Láseres de Pulsos Ultracortos, adscrito a este mismo departamento académico y quien tiene además nombramiento de Profesor Adjunto en el Departamento de Ingeniería Mecánica en la UCR.

Luis Devia y Santiago Camacho

Una nota publicada en el órgano informativo de esta universidad explica que los métodos actuales para introducir materiales extraños en las células, un proceso conocido como transfección, se basan en perforar la membrana externa con un láser, con lo cual se corre el riesgo de que el calor dañe la célula (daño térmico colateral), o con una pipeta, con la que se corre el riesgo de contaminación.

La cavitación óptica utiliza un láser para formar burbujas del tamaño de micras en un líquido, las cuales se expanden rápidamente hasta llegar a un tamaño máximo y luego colapsan a una velocidad mayor que la del sonido, emitiendo ondas de choque o de presión con un frente de onda abrupto, todo en una fracción de segundo. Estas burbujas generan fuertes cambios en las propiedades físicas del medio circundante, lo que las convierte en candidatas viables para innumerables aplicaciones, entre otras, limpiar superficies de manera muy localizada, para focalizar células y para calentamiento o enfriamiento (termocavitación óptica).

Los trabajos en el CICESE sobre aplicaciones del fenómeno de cavitación óptica comenzaron hace más de 10 años. En 2013 Luis Devia comenzó a desarrollar un sensor de presión intraocular para el diagnóstico de glaucoma. El principio consiste en medir el tamaño de la burbuja y el tiempo de colapso, para así determinar la presión del líquido intraocular donde se generó la burbuja.

Esto requiere dos tipos de láseres: uno que monitorea la dinámica de la cavitación misma, mientras que la burbuja se induce con un láser más complejo, de pulsos cortos (dispara pulsos de láser con una duración de unas cuantas mil millonésimas de segundo o nanosegundos). El sistema permite tomar la presión intraocular en un tiempo de milésimas de segundo, ofreciendo confiabilidad muy alta, precisión y mayor comodidad al paciente (ver nota).

Santiago Camacho, por su parte, ha mantenido colaboración en temas de cavitación inducida por láser con Guillermo Aguilar, especialista en ingeniería mecánica de la UCR y coautor de este artículo, desde principios de los 2000. Organizaron conjuntamente, en octubre de 2016, la primera reunión académica binacional en este tema que permitió, como principal logro, identificar quiénes conforman la comunidad de cavitación en México y en la región de California, conocer sus temas de investigación y comenzar a proponer el desarrollo de aplicaciones que tuvieran impacto no solamente en la parte científica y tecnológica, sino en beneficios para la sociedad (ver nota).

A partir de ese acercamiento, Luis Devia realizó una estancia en la UCR; conoció a Vicente Robles (alumno de Guillermo Aguilar), gestaron conjuntamente en laboratorio la idea que motivó este artículo, y lo visitó varias veces para brindarle asesoría.

Las burbujas dobles tienen menos problemas para perforar

El principio es este: En configuraciones de doble burbuja, una de ellas colapsa más rápido y acelera la burbuja vecina para invertirse y perforarse a sí misma, emitiendo un chorro diminuto (microjet) que podría perforar una membrana celular y usarse presumiblemente para transfectar una célula, si es lo suficientemente fuerte. Sin embargo, la velocidad, la fuerza y la trayectoria del chorro están altamente influenciadas por las propiedades mecánicas del medio que lo rodea, y por las separaciones espaciales y temporales de las burbujas. Por eso este estudio buscó desarrollar una técnica eficaz para focalizar estos chorros en materiales blandos y en microescala.

Así, se generaron chorros a partir de una burbuja simple y doble; se dirigieron a dos medios blandos: parafina blanda (vaselina, para cuantificar la efectividad de la doble burbuja sobre la inyección de una sola burbuja) y un gel de agar transparente ampliamente utilizado para modelar tejido humano (para explorar la aplicación de la inyección a microescala), y luego se compararon los resultados.

El alargamiento agudo durante el proceso de doble burbuja produce chorros rápidos y enfocados que alcanzan magnitudes promedio 87.6 metros/segundo. Cuando se dirigen al agar, la longitud de penetración y el volumen inyectado aumentan a alrededor de 250 micras (μm) y 5 nanolitros (nl) por chorros posteriores. Tales valores se logran sin el uso de micro boquillas fabricadas que se ven en los sistemas existentes de inyección láser sin aguja. En parafina blanda, la inyección de doble burbuja produce la misma longitud de penetración que la inyección de una sola burbuja, pero con una reducción de aproximadamente 45% en el área de daño a una distancia objetivo 3 veces mayor. Por lo tanto, el chorro de doble burbuja puede lograr áreas de impacto más pequeñas y distancias de objetivo más grandes, lo que puede reducir el daño térmico colateral y los efectos de las fuertes presiones producidas por ondas de choque.

Imagen de alta velocidad (200 mil cuadros por segundo) de 5 estadios claves en la interacción de burbujas simultáneas. En el tiempo cero, la primer burbuja es inducida y se puede observar como un plasma (o arco eléctrico) microscópico. La siguiente burbuja (superior) es inducida cuando la primera está en su máximo tamaño (en contrafase) y al rededor de 51 millonésimas de segundo después de la primera (inferior). La formación del chorro de agua se produce a partir de la interacción de las burbujas durante los colapsos asincrónicos de las mismas. El chorro de agua con potencial de tratamiento se dirige hacia arriba en dirección de la segunda burbuja.

 

Se presenta la misma dinámica en cuatro tiempos diferentes y localizada cerca de un objetivo blando de parafina. En el lado derecho se muestra el resultado de la interacción entre el chorro resultante y el material blando de prueba. Se forma un cráter de alrededor de 125 micras de diámetro.

 

“El uso de un arreglo de doble burbuja inducida por láser es una ventaja significativa sobre estudios anteriores, que dependen de una boquilla convergente o una cavidad presurizada para producir chorros fuertes”, señaló Guillermo Aguilar. “Aquí aprovechamos la física inherente al colapso asincrónico de dos burbujas para acelerar el chorro que perfora la superficie cercana”.

El estudio concluye que, con más investigación y mejoras, la cavitación de doble burbuja podría ser una alternativa en la aplicación de micro inyecciones sin aguja, evitando además la necesidad de otros dispositivos.

El artículo fue publicado el pasado 22 de abril. Figuran como autores Vicente Robles (UCR), Enoch Gutiérrez Herrera (UCR, UNAM), Luis Devia (CICESE), Darren Banks (California State University Fullerton), Santiago Camacho (CICESE) y Guillermo Aguilar (UCR).

Para consultar el artículo, siga esta liga.

Palabras clave: cavitación, doble burbuja, láseres ultrarrapidos, Luis Devia, Santiago Camacho

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