La nanoimpresora 3D multimaterial permite un gran avance en la síntesis paralela

La investigación del Dr. Felix Löffler ha obtenido dos reconocimientos de gran prestigio. La Sociedad Alemana de Ingeniería Química y Biotecnología, entidad sin ánimo de lucro, le ha concedido el Premio DECHEMA (20.000 euros). Además, fue aceptado en el Programa Heisenberg de la Fundación Alemana de Investigación para iniciar su carrera como profesor académico. Desde su incorporación al Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en 2017, Löffler, físico de formación, ha aportado su visión creativa a la ingeniería química, la biotecnología y la ciencia de los materiales. Su cartera científica incluye más de 60 artículos y más de 3,5 millones de euros en financiación de la investigación. Hablamos con él para que nos explique cómo está haciendo olas en distintas disciplinas desde su oficina y laboratorio de Golm, Brandeburgo (Alemania), y adónde le llevará ahora su pasión por cruzar fronteras disciplinarias.

¡Enhorabuena, Dr. Löffler! Su avance más aclamado es la nanoimpresora 3D multimaterial. ¿En qué consiste?

Basada en una tecnología innovadora, la nanoimpresora 3D multimaterial nos permite ensamblar compuestos químicos complejos en tres dimensiones a escala nanométrica, es decir, miles de millones de veces más pequeños que un cabello humano. Funciona de forma similar a una antigua máquina de escribir. En lugar de utilizar un alfiler metálico para transferir tinta de una cinta al papel, un láser transfiere puntos de tinta polimérica de una capa donante a una superficie receptora. Estos pequeños puntos de tinta sólida pueden contener diferentes componentes químicos. Este método elimina la necesidad de disolventes líquidos, típicos de la síntesis química, y como el polímero sólido protege del entorno a los productos químicos frágiles, se evitan problemas como la evaporación o los vertidos. A continuación, un rayo láser transfiere el polímero en un patrón deseado sobre una superficie objetivo a partir de diferentes donantes, cada uno de los cuales contiene un bloque de construcción diferente. A continuación, el patrón de polímeros se funde brevemente para que los bloques de construcción puedan reaccionar entre sí en la superficie y formar nuevas moléculas, como si fueran ladrillos de Lego que se combinan para formar piezas complejas.

¿Por qué es tan innovadora la síntesis con la nanoimpresora?

Sin reacciones químicas, nada ocurriría en nosotros ni a nuestro alrededor. Nuestro cuerpo y todos los seres vivos funcionan gracias a estas reacciones, al igual que la producción de materiales. Con la nanoimpresora, podemos desencadenar reacciones químicas con menos moléculas de partida, muy rápidamente y a un coste mucho menor. Y lo que es más emocionante, podemos utilizar el calor del láser para sintetizar mientras imprimimos, proporcionando una alternativa precisa, rápida y escalable a la síntesis tradicional realizada en matraces y vasos de precipitados. Los científicos podrán realizar cientos de miles de reacciones al mismo tiempo.

¿Puede darnos algunos ejemplos de cómo su nanoimpresora puede convertirse en una herramienta valiosa en todos los laboratorios?

Al igual que nosotros hojeamos libros para encontrar respuestas a muchas preguntas, los científicos de la naturaleza consultan bibliotecas químicas compuestas por muchas muestras. Tanto si un científico investiga funciones celulares como si busca nuevos materiales o desarrolla componentes para futuros medicamentos y vacunas, la nanoimpresora puede proporcionar una síntesis química rápida y fiable. Y lo que es más, lo hace en miniatura, en una superficie muy pequeña. Imaginemos a científicos de distintos campos, como chefs en busca de la combinación perfecta de textura, sabor y olor para sus reacciones. Con la nanoprinter, tienen acceso a miles de estantes de ingredientes premezclados, todos en un portaobjetos de cristal que cabe bajo un microscopio. Combinar estos ingredientes y probar sus propiedades hasta dar con la receta perfecta resulta más rápido y rentable. Y una vez obtenido un prototipo de molécula adecuado, se puede reproducir de forma eficiente. Para hacernos una idea, la síntesis tradicional de un solo compuesto o material en un laboratorio puede llevar varias semanas. Con nuestra tecnología, podríamos generar millones en el mismo plazo.

Usted trabaja en el Departamento de Sistemas Biomoleculares de Peter Seeberger, especializado en la búsqueda de pistas para nuevas vacunas y fármacos. ¿Cómo contribuye su nanoimpresora a estos objetivos concretos?

En nuestro departamento, los químicos sintetizan azúcares complejos como componentes básicos para posibles vacunas y medicamentos futuros. Pero se trata de un proceso engorroso, sobre todo porque estos azúcares son increíblemente versátiles en su estructura. La nanoimpresora puede realizar 100.000 síntesis en un solo portaobjetos de vidrio diminuto y acortar así el camino del laboratorio a los ensayos clínicos. De hecho, ya hemos transferido nuestra tecnología a la empresa PEPperPRINT, que la utiliza para producir matrices de fragmentos de proteínas.

¿Hay alguna otra aplicación específica en la que hayan trabajado y que quieran compartir con nosotros?

Hasta ahora hemos hablado de aplicaciones en la ciencia de materiales y en la investigación de posibles vacunas. Pero la nanoimpresora también ofrece una solución al problema generalizado de la falsificación de productos. Aplicamos nuestro método de "sintetizar mientras imprimimos" al azúcar glucosa simple y generamos patrones fluorescentes que son prácticamente imposibles de replicar. A medida que el azúcar se caramelizaba, ajustábamos el calor del láser para controlar el color fluorescente del patrón impreso e incluso inducir micro y nanopatrones aleatorios caóticos. El uso del caramelo contra la falsificación hace que esta tecnología no sólo sea barata, sino también respetuosa con el medio ambiente. Tan aleatorios, de hecho, que resultan únicos e imposibles de reproducir. Imagina coloridos códigos QR en 3D que puedan leerse con técnicas especiales pero que no puedan falsificarse, para que puedas confiar en que tu medicamento ha pasado todos los controles de seguridad pertinentes antes de llegar al mostrador de tu farmacia local.

¿Y qué planes tiene para el futuro?

Creo que aún queda mucho por explorar con la nanoimpresora. Con una pizca de creatividad, su mecanismo puede utilizarse para organizar los componentes químicos de infinitas maneras, con el fin de responder a las necesidades tanto de la investigación fundamental como de ámbitos más aplicados. Una idea, por ejemplo, es imprimir en la cuarta dimensión -el tiempo- para crear lo que llamamos materiales blandos con capacidad de respuesta. Estos materiales pueden adaptar su forma, color y rigidez en respuesta a estímulos externos y pueden utilizarse en muchos campos, desde la biomedicina a la robótica. Otra aplicación que quiero estudiar es la impresión de nanomateriales inorgánicos. Por ejemplo, incorporando partículas magnéticas a estructuras impresas, podríamos diseñar nanorobots que funcionen en entornos cambiantes. En los próximos años, me esforzaré por construir sistemas artificiales o biohíbridos que parezcan vivos.

¿Qué significan para su carrera el Premio DECHEMA y la Beca Heisenberg?

Estos premios son un gran honor y un fantástico reconocimiento a mi trabajo. La beca Heisenberg de la DFG financia un puesto de titular de cinco años. Recibir la validación tanto de académicos como de profesionales de la industria a través de DECHEMA me motiva aún más para seguir investigando.

Ahora que sabemos más sobre su investigación, cuéntenos cómo llegó a estudiar física.

Esta es una historia que siempre me gusta contar. Estaba indecisa entre estudiar física o medicina, incluso después de comprobar minuciosamente los planes de estudios y visitar las posibles facultades. Decidí lanzar una moneda al aire, y aún recuerdo vívidamente la escena, rodeado de amigos. Al final, estoy contento con mi elección y nunca he rehuido aprender de otras disciplinas. Fui, por ejemplo, profesor visitante en el Departamento de Enfermedades Infecciosas y Vacunología de la Universidad de California Berkeley, e investigador principal en departamentos que van desde la ingeniería a la química.

La investigación fundamental lleva la palabra "diversión" dentro. ¿Qué es lo que más le gusta de su trabajo?

Sin duda, trabajar con tantas mentes jóvenes y brillantes procedentes de entornos diversos, tanto en términos de disciplina como de cultura académica. Me encanta el espíritu de equipo, trabajar juntos para resolver un problema común, sabiendo que nuestros esfuerzos diarios pueden, en perspectiva, ayudar a resolver problemas que repercuten en la sociedad en general. Sin la gran dedicación de mi extraordinario equipo, los momentos divertidos y el apoyo de mi mentor, el Prof. Peter H. Seeberger, así como de mis colegas del departamento y del instituto, ninguno de mis logros habría sido posible. Estoy muy agradecido por haber trabajado con todos ellos.

¿Cómo encuentra la inspiración? ¿Es tan ecléctico en su vida cotidiana como en el laboratorio?

Componer y tocar música siempre ha sido mi descanso del trabajo. Me ayuda a volver a la investigación con la mente fresca. Cuando no estoy en el laboratorio, tiendo a ceñirme a una rutina y suelo pasar tiempo con mi familia y mis amigos. La música y la ciencia son mis lugares creativos más felices para dejar volar mi imaginación.

Si pudiera cambiar de trabajo por un día, ¿cuál elegiría y por qué?

Aunque siempre he querido seguir una carrera académica, a menudo me he preguntado cómo sería una carrera profesional en el deporte o la música. Gracias a DECHEMA y al Programa Heisenberg de la DFG, creo que puedo posponer esta alternativa profesional hasta después de la jubilación.