Modelado de la mecánica de tejidos utilizando vidrio fundido.
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El estudio de vidrio se convierte en un laboratorio de física para biofísicos que estudian las propiedades fisiológicas de los tejidos de los microorganismos marinos.
Crédito: Prakash Lab/Universidad de Miami
Durante miles de años, los humanos han convertido el vidrio en todo, desde artículos domésticos útiles hasta ventanas de pisos. Investigadores de la Universidad de Miami (UM) ahora están ampliando este extenso repertorio utilizando vidrio para estudiar la mecánica de los tejidos. Esta colaboración, en la que participan científicos y artistas, crea versiones en vidrio de tejidos animales simples y luego somete estos modelos de vidrio a fuerzas mecánicas que utilizan calor y gravedad. En el Reunión de marzo de APSEl grupo presentó creaciones fundidas que imitan los patrones de expansión de los tejidos observados en animales marinos microscópicos. Adherinas tricoplex.
Vivek Prakash, biofísico de la Universidad de Maryland, estudia los flujos de fluidos en los animales, no sólo el agua que fluye alrededor de los invertebrados marinos. También estudia el flujo celular dentro de los tejidos animales. Los tejidos epiteliales en forma de lámina consisten en grupos de células conectadas que pueden moverse constantemente entre sí cuando se las somete a fuerzas, a veces empaquetándose y otras reorganizándose suavemente. Estos tejidos no son completamente líquidos ni completamente sólidos; se estiran, rompen y curan de formas interesantes. Lo mismo ocurre con el vidrio fundido, como aprendió Prakash hace unos años en una exposición de arte en vidrio en el Lowy Art Museum de la UM.
Esta similitud entre el vidrio y el tejido se convirtió en la base del proyecto Science Meets Art en el laboratorio de Prakash. Comenzó con Caroline Delli Santi, quien comenzó a trabajar en el laboratorio como estudiante en 2022 estudiando larvas de estrellas de mar. Estas criaturas crean “una hermosa variedad de remolinos de agua a su alrededor para moverse y alimentarse”, dice Delli Santi. Después de dibujar un esquema de las larvas en diferentes etapas de desarrollo, Delli Santi tuvo la idea de verter estos pequeños ejemplares en un vaso. “Yo era estudiante de ciencias y aprendí sobre vidrio cuando era menor”, dice Delli Santi. “Cuando tuve la oportunidad de convertir esto en una mezcla seria, fue lo más emocionante del mundo para mí”.
Delli-Santi trabajó con la artista del vidrio Gina Efren para crear varios modelos de vidrio de larvas de estrellas de mar en UM Glass Studio. Los artistas dicen que las piezas de estrellas de mar, con su forma plana, se pueden colgar en la pared como decoración inspirada en la ciencia. “Tomo las formas, patrones y estados físicos de los animales de estos proyectos en mi propio trabajo”, dice Efren. Sus medios de movimiento y propiedades físicas encajan bien con los aspectos conceptuales de su funcionamiento.
Tras el éxito de Starfish, Delli Santi y Efren se asociaron con Prakash para explorar sus intereses de investigación. tricoplex. Este animal simple y multicelular que mide 4 mm de ancho carece de músculos u órganos. Su cuerpo plano y amorfo consta enteramente de dos capas de tejido epitelial, cubiertas con cilios parecidos a pelos, que rodean una cavidad fibrosa de fibroblastos. Normalmente, esta criatura es flexible y cambia de forma a medida que se arrastra por el entorno del fondo marino. Pero sus tejidos se vuelven frágiles cuando se exponen a tensiones mecánicas. [1]. Esta fragilidad puede provocar fracturas en su epitelio –tal vez como parte de su maquinaria reproductiva–, pero estas fracturas también pueden curarse por sí solas. Fascinados por esta criatura que cambia de forma, Prakash y sus colegas querían ver si podían recrear su extraño comportamiento en una contraparte microscópica.
Crédito: Prakash Lab/Universidad de Miami
En el estudio de vidrio, transformado en laboratorio de biofísica, el equipo lo fabricó. tricoplex Modela una celda a la vez. Primero calentaron el vidrio fundido y lo dibujaron en formas cilíndricas que luego se cortaron en tiras de 1 cm de alto para representar células individuales. Luego se dispusieron unos cientos de estas células dentro de un molde de 7 pulgadas de diámetro y se combinaron en forma de disco. El resultado tricoplexLa estructura doble estaba lista para servir como banco de pruebas para la mecánica de tejidos. [2].
Los investigadores calentaron la “tela” en forma de disco en un horno a 700 grados Celsius, más que la temperatura de transición donde el vidrio se funde. Luego colocaron el disco sobre un sólido cónico, sometiéndolo a una fuerza gravitacional que lo atrajo en diagonal. Las células fusionadas se expanden o fluyen bajo el peso del resto del tejido, exhibiendo una deformación dúctil. Después de este paso, el equipo “congeló” todo el tejido de vidrio enfriándolo rápidamente hasta el punto de recocido en el que se detiene el movimiento. Al congelar la dinámica del vidrio, los investigadores obtuvieron una “instantánea” de la deformación en un momento específico. “Vemos que el tejido de vidrio que no está en contacto directo con la región central de la fractura se hunde hasta el fondo a medida que se derrite debido al calentamiento”, dice Gopika Madhu, un estudiante graduado en física que trabaja en el proyecto.
Los investigadores midieron los cambios en el área celular y la excentricidad cuando las células sufren deformaciones de ductilidad en el tejido hialino. “Creemos que este proceso tiene una similitud indirecta con la expansión de las células elásticas en los tejidos del cuerpo. tricoplex“Se ha demostrado que son impulsados por fuerzas mecánicas”, dice Prakash. Las observaciones revelan un aumento en el área celular promedio durante el estiramiento, lo que confirma las predicciones del modelado mecánico de que las células experimentan estrés bajo carga. Los resultados también muestran que la excentricidad de la célula disminuye en función del estiramiento, lo que significa que pasa de una forma inicialmente redonda a una forma ovalada alargada, un proceso de deformación similar al observado en las células de los tejidos. tricoplex. “Nunca imaginé que se pudieran establecer paralelos entre el vidrio y el tejido, por lo que encontrar esta nueva vía de investigación fue muy emocionante”, dice Maddow.
A continuación, el equipo pretende ejecutar simulaciones por computadora para obtener mapas de tensión-deformación en diferentes ubicaciones del tejido estirado. Debido a la falta de altas temperaturas, el conjunto de datos actual sólo considera antes y después de la expansión; La visualización de puntos intermedios permitiría una visualización completa de las propiedades blandas y quebradizas – y de otras mecánicas de los tejidos en su conjunto – tricoplex. “Obtenemos los datos de la vidriería de un artista y luego los convertimos en un resultado científico”, dice Prakash.
-Raquel Berkowitz
Rachel Berkowitz es editora correspondiente de Revista de Física Con sede en Vancouver, Canadá.
Referencias
- En N. Prakash et al.“La fractura inducida por movimiento revela una intersección entre la plasticidad y la fragilidad en el epitelio de un animal simple”. Nat. Física. 17504 (2021).
- J. Efrén et al.“Vidrio, biología marina y física”. Empresa de arte en vidrio. C. 49 (2023), https://issuu.com/glassartsociety/docs/2023_gas_journal.
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