Miniaturiserede robotter kan drives gennem biologiske væsker ved en enzymatisk reaktion eller ultralyd

Nanorobotter og andre minikøretøjer kan måske udføre vigtige tjenester inden for medicin en dag – f.eks. ved at udføre fjernstyrede operationer eller transportere farmaceutiske midler til et ønsket sted i kroppen. Imidlertid, til dato har det været svært at styre sådanne mikro- og nanosvømmere præcist gennem biologiske væsker såsom blod, ledvæske eller indersiden af ​​øjeæblet. Forskere ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart præsenterer nu to nye tilgange til at konstruere fremdriftssystemer til små flydende kroppe. I tilfælde af en motor, fremdriften genereres af bobler, som får os til at svinge af ultralyd. Med den anden, en strøm forårsaget af produktet af en enzymatisk reaktion driver en nanosvømmer.

Jetfly har ført an. De brænder brændstof, udstød forbrændingsprodukterne i én retning og bevæger sig som et resultat i den modsatte retning. Forskere ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart gør det på en meget lignende måde – dog i meget mindre målestok. Deres undervands-nanorobot er et enkeltvægget nanorør lavet af siliciumdioxid, kun 220 nanometer (milliarddele af en meter) i diameter. En partikel af den art ville normalt ikke være i stand til at drive sig selv i væsker. Forskerne har derfor belagt enten kun den indre eller den indre såvel som den ydre overflade eller af nanorøret med enzymet urease, der nedbryder urinstof til ammoniak og kuldioxid.

Hvis et nanorør, der er fremstillet på denne måde, indføres i en væske, der indeholder urinstof, dette urinstof nedbrydes ved den ureasebelagte indvendige væg. Reaktionsprodukterne genererer en strøm i væsken, som driver dem ud af røret som en stråle. Da en sådan nanosvømmer enten er tyndere i den ene ende end i den anden, eller også er urinstoffet ikke fordelt homogent over overfladen, dette resulterer i et fremstød, så mikrosvømmeren oplever fremdrift i den modsatte retning – som i et jetfly. Nanojetflyene nåede hastigheder på 10 mikrometer i sekundet, altså næsten fire centimeter i timen.

Den mindste jetmotor i verden

Indrømmet, belægning af en nanorobot for at opnå et kemisk drev er på ingen måde nyt. Imidlertid, det nu præsenterede rør, med sin 220 nanometer åbning, repræsenterer det mindste jetfremdrivningssystem, der hidtil er konstrueret i verden. "Vores tidligere rekord, som stadig er i Guinness rekordbog, var omkring tre gange større", forklarer Samual Sanchez, der leder Smart NanoBioDevices Group på Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart og samtidig har et professorat ved Institute for Bioengineering of Catalonia i Barcelona.

Og der er endnu et nyt aspekt af nanojet, som forskere fra Harbin Institute of Technology i Shenzhen i Kina også var med til at udvikle:for første gang, alle anvendte materialer og reaktionspartnere er fuldt biokompatible. "Tidligere kemiske drev af denne art var sædvanligvis baseret på en metallisk katalysator på overfladen af ​​hvilken hydrogenperoxid blev nedbrudt til brint- og oxygenmolekyler", siger Sanchez. Iltbobler dannes i processen, hvilket skaber et fremstød i den modsatte retning. Både hydrogenperoxid og gasboblerne ville have ulemper, hvis de blev brugt i den menneskelige krop. Men det er ikke tilfældet med den urease-coatede version med dens vandopløselige – og dermed boblefrie – reaktionsprodukter. "Urease forekommer alligevel i den menneskelige organisme", Sanchez forklarer.

Forskerne vil nu teste biokompatibiliteten mere præcist – og i processen undersøge, om det kan lykkes at implantere sådanne mikrorør i individuelle celler. "Det ville være nødvendigt, selvfølgelig, for at bringe lægemiddelmolekyler til deres destination, for eksempel", siger Sanchez.

Oscillerende bobler giver stød

Mens gasbobler stadig var uønskede i den angivne tilgang, de udgør selve midtpunktet i et helt nyt fremdriftsprincip for miniroboer, hvilke kolleger på Instituttet i Mikro, Nano and Molecular Systems Group ledet af Peer Fischer foreslår. Imidlertid, her bobler gasboblerne ikke frit gennem væsken og kan derfor ikke beskadige organismen. Hellere, forskerne lukker mikroboblerne ind i små cylindriske kamre langs en plastikstrimmel. For at levere drevet, derfor, gasboblerne udvider sig og trækker sig sammen cyklisk, fordi ultralyd får dem til at svinge. Da de pulserende bobler er i kamre åbne på den ene side, de udvider sig kun gennem denne åbning. I processen, de udøver en kraft på den modsatte væg af kammeret, som driver plaststrimlen frem. For at opnå fremdrift, der er værd at nævne, forskerne arrangerede flere kamre med luftbobler parallelt på deres polymerstrimmel.

Et bemærkelsesværdigt aspekt:​​den lydbølgefrekvens, der kræves for at få dem til at oscillere, afhænger af størrelsen af ​​de små bobler. Jo større boblerne er, jo mindre er den tilsvarende resonansfrekvens. Forskerne brugte denne forbindelse til at få deres svømmer til at rotere skiftevis med uret og mod uret. For at gøre det, de placerede bobler af forskellig størrelse på de to halvdele af de fire, lange terningformede flader delt på langs. To forskellige lydfrekvenser blev derefter brugt i en væske for hver at få alle boblerne af en størrelse til at oscillere. På denne måde videnskabsmændene genererede udelukkende stød på halvdelen af ​​den kubiske flade, som fik den til at rotere om sin egen akse. Denne lille akustisk drevne rotationsmotor med langsgående arealer hver fem kvadratmillimeter i størrelse opnåede op til tusinde omdrejninger i minuttet i processen.

En mulighed for at styre minisvømmere

"Variationen i boblernes størrelse gør derved i stand til at en minisvømmer bevidst kan styre i forskellige retninger", siger Tian Qiu, som også forsker ved Max Planck Instituttet i Stuttgart og spillede en bemærkelsesværdig rolle i undersøgelsen. Ifølge Qiu, en yderligere fordel ved det nye fremdriftsprincip er, at selv svømmere med en kompliceret geometrisk struktur kan belægges med de wafertynde strimler sammen med kamre til boblerne. Han fortsætter med at forklare, at brugen af ​​ultralyd også er velegnet til optisk uigennemtrængelige medier såsom blod. Lysbølger, som også er et potentielt kontrolinstrument til mikrodrev, kan intet opnå i dette tilfælde. Forskerne vil nu bruge tests i rigtige biologiske medier til at tjekke, om det nye drivprincip også er i stand til at udnytte sine fordele bedst muligt i praksis.