Исследователи разработали биогибридных микророботов, модифицируя микроводоросли специальным магнитным покрытием. Эти «микропловцы» способны практически полностью сохранять свою скорость даже в условиях сильного стеснения, их скорость лишь немного снижается в вязкой среде. Эта технология открывает возможности для многочисленных применений, особенно для адресной доставки лекарств.
Биогибридные микророботы привлекают все большее внимание в области робототехники благодаря своим возможностям передвижения, достигаемым за счет интеграции биологических элементов. Их можно модифицировать путем включения различных микро- и наноматериалов, что позволяет осуществлять универсальное управление в широком диапазоне сред, например, осуществлять навигацию внутри биологических тканей.
Например, инженеры разработали управляемые магнитом бактерии, которые могут доставлять целевые противораковые препараты. Модифицированная сперма, контролируемая магнитами, также была испытана в качестве малоинвазивного метода лечения бесплодия. В последнее время одноклеточная микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii (CR) привлекает внимание исследователей благодаря своей удивительной способности к плаванию, чувствительности к свету и биосовместимости.
Клетка снабжена двумя хлыстообразными прожгутиками, которые могут двигаться со скоростью, в 20–25 раз превышающей ее длину в секунду. Он не генотоксичен и особенно подходит для использования в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Его автофлуоресценция в сочетании с относительно длительным временем пролиферации отличает его от других клеток, используемых в гибридных микророботах.
Однако, хотя магнитное наведение стало наиболее широко используемым методом наведения, его применение в микроводорослях по-прежнему ограничено из-за ряда факторов. В частности, неясно, как добавление магнитных частиц или покрытий повлияет на их способность плавать, особенно в замкнутых средах, таких как биологические микрососуды. Кроме того, низкая эффективность биогибридизации может повлиять на общую управляемость популяции.
Группа ученых из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте (Германия) разработала метод, позволяющий микроводорослям сохранять подвижность даже после нанесения магнитного покрытия. «Мы планируем использовать этих микророботов в сложных, небольших и очень ограниченных средах, таких как ткани», — пояснили исследователи в пресс-релизе.
Они добавили: «Наши результаты открывают путь для таких приложений, как адресная доставка лекарств, обеспечивают биосовместимые решения для лечения и открывают большой потенциал для будущих инноваций в биомедицине и других областях».
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
Результаты исследования были опубликованы в профессиональном журнале .Почти неизменная скорость движения
Немецкие исследователи разработали метод функционализации поверхности клеток микроводорослей путем введения на их поверхность магнитных материалов, что позволяет управлять траекторией движения клеток микроводорослей извне. Для этого клетки покрывали тонким слоем хитозана — природного полимера, улучшающего адгезию, — в сочетании с магнитными наночастицами. Направление определяется магнитным полем, создаваемым катушкой и системой постоянных магнитов.
Биогибрид достиг эффективности 95,9% всего за несколько минут. Чтобы оценить их плавательные способности, ученые испытали микророботов в жидкости с низкой вязкостью, похожей на воду, а затем в среде, похожей на слизь. Их также провели через трехмерную сеть микроцилиндров, имитирующую узкое пространство, примерно в три раза превышающее диаметр клетки.
Несмотря на дополнительную нагрузку, микроробот сохранил практически ту же скорость. В воде они двигались со средней скоростью 115 микрометров в секунду, что примерно в 11,5 раз превышает длину их тела в секунду — результат, который значительно превосходит предыдущие биогибридные модели, основанные на микроводорослях. Для сравнения, олимпийские пловцы обычно плывут со скоростью около 1,4 длины тела в секунду.
Высокий потенциал для навигации в ограниченных пространствах
Эксперименты также показали, что робот способен перемещаться по микроканалам в зависимости от их диаметра и применяемого магнитного управления. Без этого они обычно застревают и возвращаются к точке входа. Под воздействием направленных магнитных полей они могут перемещаться даже по самым узким проходам.
«Магнитное управление помогает биогибриду ориентироваться по магнитному полю, демонстрируя реальный потенциал для навигации в ограниченном пространстве — словно миниатюрный GPS», — объясняет Биргюль Аколпоглу, один из ведущих авторов исследования.
Однако в более вязких средах скорость движения микророботов снижалась. Микропловцы сокращают длину своего тела в среднем 1–2 раза в секунду, а их траектория становится зигзагообразной и неровной.
«Это говорит о том, что путем точной настройки вязкости и магнитного выравнивания можно оптимизировать навигацию микророботов в сложных условиях», — говорит Саадет Фатма Балтаджи, соавтор исследования.
Такая контролируемость имеет решающее значение в биологических средах, где структуры и вязкости могут существенно различаться. Помимо биомедицины, эти микророботы могут также использоваться для мониторинга окружающей среды, промышленной очистки или для изучения фундаментальных механизмов микроскопического движения.
Читайте все последние новости о здоровье и медицине на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Исследователи разработали биогибридных микророботов, модифицировав микроводоросли с помощью специального магнитного покрытия.