Materia activa microconfinada: orientación de espermatozoides humanos con paredes

GALLEA M.N.; A. GUIDOBALDI; BETTERA MARCAT M.A.; CUBILLA, MARISA A.; V.I. MARCONI; G.L. MIÑO; A. J. BANCHIO

Santa Fe

Congreso; 104a Reunión de la Asociación Física Argentina; 2019

Los avances tecnologicos en la micro y nano fabricacion con materiales bio-compatibles ha brindado la posibil- idad reciente de manipular microorganismos y celulas de maneras muy novedosas. Se han logrado en los ultimos años aplicaciones de gran relevancia para la investigacion en sistemas biologicos, como microdispositivos capaces de rectificar poblaciones de E. coli, utilizando su nado preferente cercano a superficies o separar poblaciones por sus diferentes estrategias de nado o por su edad. Otro ejemplo es un micro-rectificador/acumulador de esperma- tozoides humanos reportado por primera vez por nuestro grupo de trabajo [1]. Las aplicaciones en biomedicina generan gran expectativa, en particular la micromanipulaci ́on de espermatozoides abre muchas puertas en medicina reproductiva y reproducciión asistida.La din ́amica de nadadores en micro-dispositivos es compleja. Comprenderla requiere aportes tanto teóricos como experimentales. Nuestro objetivo es describir de forma realista la dinámica de poblaciones de espermatozoides humanos microconfinados en dispositivos, que puedan ser útiles para la investigaci ́on de reproducci ́on asistida [1] y análisis de fertilidad [2]. Es conocida la tendencia a nadar por paredes de espermatozoides, así como en general de los micronadadores tipo ?pusher?, es decir los que empujan el fluido que los rodea gracias a su motor, para autopropulsarse. Este comportamiento puede estar originado por efectos hidrodinámicos o por efectos estéricos y geométricos debido a su forma elongada. Por esto se observan trayectorias estables paralelas a paredes, que favorecen su acumulación en ellas. Es de gran relevancia, entonces, la caracterización y modelado de su comportamiento cercano a paredes para obtener predicciones precisas de la evolución de cantidades macroscópicas de interés m ́edico y para el desarrollo de nuevos dispositivos de control més eficientes.Con este propósito, modelamos fenomenológicamente la dinámica orientacional de espermatozoides en el entorno de paredes. Proponemos diferentes formas funcionales de la velocidad angular con el ángulo entre la orientación del nadador y la pared (ángulo de incidencia). La intensidad de la velocidad angular está dada por un parámetro libre a ajustar con datos experimentales. Analizamos los casos l ́ımite sin din ́amica orientacional inducida por paredes y de orientación paralela instantánea al llegar a ellas. Para validar el modelo y encontrar el rango óptimo del parámetro libre, reproducimos y comparamos observaciones experimentales de espermatozoides humanos incidiendo en paredes en una camara de micro-confinamiento de δ = 25μm de profundidad. Contrastando la evolucion de la velocidad y la distribución espacial de células, obtenidas en experimentos y simulaciones, acotamos el rango de valores del parámetro libre, logrando una buena caracterización de la dinámica de espermatozoides cercanos a paredes, mediante un modelo simple y eficiente computacionalmente.[1] A. Guidobaldi et al. Geometrical guidance and trapping transition of human sperm cells. Phys. Rev. E 89, (2014) 041932.[2] H. A. Guidobaldi et al. Disrupting the wall accumulation of human sperm cells by artificial corrugation. Biomicrofluidics 9, (2015) 024122.