Nuevo modelo para estudiar la fricción celular

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), liderado por Laura R. Arriaga y Juan L. Aragonés, ha descrito un modelo simplificado que permite estudiar cómo actúa la fricción en la escala celular.

Se trata de vesículas poliméricas —estructuras esféricas rodeadas por una membrana de polímeros— que encapsulan una única partícula ferromagnética, lo que permite controlar su movimiento con precisión mediante un campo magnético externo.

“Necesitábamos un sistema más simple para aislar y medir específicamente las fuerzas de fricción, sin la complejidad de todos los procesos biológicos que ocurren en células vivas”, explican los autores.

El trabajo, publicado en PNAS, abre nuevas posibilidades para el estudio del movimiento celular y la interacción entre membranas biológicas y superficies. Podría aplicarse, por ejemplo, en el diseño de órganos en chip o en materiales biomiméticos, optimizando la movilidad y adhesión celular en entornos artificiales.

Además, en el ámbito de la nanomedicina, este tipo de vesículas podría inspirar el desarrollo de sistemas inteligentes para la administración de fármacos, capaces de dirigirse y adherirse selectivamente a tejidos específicos. En robótica blanda y nanotecnología, estas investigaciones podrían servir de base para microrrobots que se muevan con precisión en entornos biológicos complejos.

"Nuestro objetivo final es proporcionar un marco físico que nos ayude a entender mejor los mecanismos fundamentales del movimiento celular y cómo las células convierten señales mecánicas en respuestas bioquímicas", detallan los autores.

Vesículas rodantes 

Todo objeto o ser vivo que se autopropulsa necesita una fuerza de fricción que le permita avanzar. Para caminar, por ejemplo, dependemos de la fricción con el suelo. Cuando esta falta —como ocurre al pisar hielo— resbalamos y no podemos avanzar. Por eso existen las raquetas de nieve o los tacos en las botas de fútbol: aumentan el agarre y, con él, la fricción.

A escala microscópica, las células también necesitan fricción para desplazarse. Su movilidad es esencial en procesos como la cicatrización, la respuesta inmunitaria o el desarrollo embrionario. Sin embargo, estudiar esta fricción celular es un reto complejo: las reglas del movimiento cambian drásticamente cuando se reduce la escala.

El nuevo modelo de vesículas poliméricas permite estudiar con precisión inédita el comportamiento tribológico —la ciencia que analiza la fricción y el desgaste— a escala celular y en un entorno controlado. 

A pesar de su sencillez estructural, este modelo es altamente sofisticado. Las vesículas se fabrican mediante técnicas de microfluídica que permiten generar unas 300 unidades por segundo, con un tamaño diez veces menor que el grosor de un cabello humano. En su interior, cada vesícula contiene una partícula ferromagnética que gira al aplicarle un campo magnético rotatorio. Esta rotación induce un flujo de fluido interno que, a su vez, hace girar la membrana. El resultado: la vesícula rueda y se desplaza, como una diminuta rueda sobre una superficie.

A bajas frecuencias del campo magnético, las vesículas ruedan de forma estable, como si lo hicieran sobre asfalto seco. Pero al aumentar la frecuencia, comienzan a deslizarse, como si la superficie estuviera húmeda o resbaladiza. Lo más llamativo es que la superficie permanece inalterada: la transición entre rodamiento y deslizamiento depende exclusivamente de la dinámica interna de la vesícula inducida por el campo magnético.

De la fricción de contacto a la lubricación hidrodinámica

Uno de los principales avances del estudio es la medición precisa de la transición entre dos regímenes de fricción: el contacto directo y la lubricación hidrodinámica. 

A bajas frecuencias, domina la fricción de contacto, donde la membrana de la vesícula interactúa directamente con la superficie. A frecuencias altas, el fluido interno actúa como lubricante, reduciendo la fricción y permitiendo que la vesícula se deslice suavemente.

Esta transición es clave para entender cómo las células pueden regular su fricción con el entorno y adaptarse a distintas condiciones mecánicas, lo que tiene implicaciones en múltiples procesos biológicos.

Complejidad en estructuras simples

Uno de los aspectos más fascinantes del sistema es el comportamiento del fluido en el interior de la vesícula. 

La rotación de la partícula ferromagnética genera patrones de vórtices que provocan un delicado equilibrio de fuerzas de presión y cizalla. A través de experimentos y simulaciones computacionales, los investigadores han demostrado que la rotación de la membrana se mantiene constante, independientemente de la posición de la partícula en el interior.

“Lo sorprendente es que pudimos demostrar que la rotación de la membrana se mantiene independiente de la posición de la partícula dentro de la vesícula, y que la vesícula mantiene una velocidad angular constante hasta que se apaga el campo magnético”, concluyen.

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Referencia bibliográfica:

P. Magrinya,P. Palacios-Alonso,P. Llombart,R. Delgado-Buscalioni,A. Alexander-Katz,L.R. Arriaga,& J.L. Aragones,  Rolling vesicles: From confined rotational flows to surface-enabled motion, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (13) e2424236122, https://doi.org/10.1073/pnas.2424236122 (2025).

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