Nye aktive filamenter efterligner biologi til transport af nanolast

Inspireret af naturens bevægelser i mikroskala, en gruppe forskere ved Indian Institute of Technology Madras og Institute of Mathematical Sciences, i Chennai, Indien, har udviklet et nyt design til transport af kolloidale partikler, lille last suspenderet i stoffer såsom væsker eller geler, hurtigere end det i øjeblikket er muligt ved diffusion.

Væskefriktion bestemmer mikroskala-inerti i væske. Det betyder, for eksempel, blodlegemer, der svømmer i blodet, støder nogenlunde på samme mængde træk, som et menneske ville opleve at forsøge at svømme gennem melasse.

Som gruppen rapporterer i Journal of Chemical Physics de anvendte og udvidede derefter en model af aktive filamenter, der inkluderer disse friktionelle hydrodynamiske interaktioner, specifikt, da de vedrører hastigheds- og effektivitetsanalysen ved transport af kolloidale partikler.

Ved at gøre det, forskerne var i stand til at designe en realiserbar aktiv transportmotor, markant fremskridt inden for teknikken for at studere den afgørende rolle, momentumbevaring i aktive systemer har.

"Mikroorganismer har udviklet specialiserede organeller, såsom cilia og flagella, at overvinde udfordringerne ved, med Nobelpristagerens [Edward] Purcells ord, 'liv med et lavt Reynolds -tal, sagde Raj Kumar Manna, en kandidatstuderende i Institut for Fysik ved Indian Institute of Technology Madras. "Nylige eksperimenter viste, at flagella-lignende" tæsk "kunne opnås in vitro, beviser, at det er muligt at opnå en periodisk 'bankende' bevægelse uden kompleks biologisk regulering. "

Kombinerer dette koncept med biologisk uafhængig regulering med "vellykket syntese af selvkørende, uorganiske partikler, "sagde han også, gav dem mulighed for at oprette et helt kunstigt mikroskopisk transportsystem.

Gruppen begyndte oprindeligt at studere design af sådanne transportsystemer via computersimulering for at finde designs til deres "ultimative syntese" i laboratoriet.

Ifølge Manna, de fleste af de begreber, der er involveret i deres arbejde, er mere end et århundrede gamle, stammer fra midten af ​​1800-tallet med matematiker George Stokes 'arbejde med de selvstændige ligninger for langsom viskøs strømning. Fysikeren Marian Smoluchowski brugte derefter dette arbejde i begyndelsen af ​​1900'erne til at beregne friktionen, eller den såkaldte "hydrodynamiske interaktion, "mellem sfæriske partikler, der bevæger sig i en viskøs væske." Vi anvendte disse teknikker til den nye situation med svømning i en viskøs væske, "sagde Manna.

Med disse teknikker viste de, at det er muligt at transportere kolloid last via syntetiske aktive filamenter. "Vi har leveret et design til en fuldstændig biokompatibel motilitetsmotor, der kan bruges til en lang række anvendelser, "Sagde Manna. Og sådan variation tilbydes af et overraskende fund.

"Hastighed og effektivitet hænger ikke sammen inden for disse systemer, "sagde Manna." Som en analogi, overvej energien brugt af en 100 meter sprinter og en maratonløber. For et givet energibudget, det kan bruges i et kort burst for at opnå høj hastighed, eller langsommere for at opnå lange afstande. Dette kræver forskellige designovervejelser, så vores arbejde giver en måde at skifte adfærd for vores syntetiske svømmer mellem disse to tilstande. "

Arbejdet har potentielle konsekvenser for procedurer såsom målrettet lægemiddellevering og insemination. Mere generelt, arbejdet er relevant for terapeutiske indgreb, hvor defekt motilitet i fysiologi er et problem.

"Det er svært at forudsige tidspunktet for et computerdesign, der skal realiseres eksperimentelt, og derefter gå ud over kliniske forsøg til medicinsk brug. Men, hvis tidligere udvikling inden for dette område er en vejledning, vi forventer, at nogle af disse teknologier bliver mulige inden for et årti eller deromkring, "Sagde Manna.

Hvad angår det næste for gruppen, Manna sagde, "Vi vil gerne medtage stigende grader af realisme i vores analyse for at opnå et miljø, der ligner mere blod, se på geometrier, der mere ligner forgrenede kapillærer, udforske designs for større energieffektivitet, og også samarbejde tættere med eksperimentelle. "