Microbot origami kan fange, transportere enkeltceller

Forskere ved North Carolina State University og Duke University har udviklet en måde at samle og forprogrammere bittesmå strukturer lavet af mikroskopiske terninger - "microbot origami" - for at ændre deres form, når de aktiveres af et magnetfelt og derefter, ved hjælp af magnetisk energi fra deres omgivelser, udføre en række opgaver - herunder indfangning og transport af enkeltceller.

Fundene, udgivet i dag i Videnskab fremskridt , bane vejen for mikrobots og mikro-origami-samlinger, der kan fungere som værktøjer til karakterisering af celler, flydende mikroblandere, og komponenter af kunstige muskler og bløde biomimetiske anordninger.

"Denne forskning handler om et emne af aktuel interesse - aktive partikler, der tager energi fra deres miljø og omdanner det til retningsbevægelse, "sagde Orlin Velev, INVISTA professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State og medkorresponderende forfatter til papiret.

For at oprette mikrobot origami, forskerne startede med mikroskopiske polymerterninger, der er metalliske på den ene side, i det væsentlige tillader den metalliske side at fungere som en magnet. Afhængigt af deres placering, terningerne kan samles på mange forskellige måder.

"Da de er magnetiseret og interagerer, kuberne lagrer energi, "Velev sagde." Små partikler i form af terninger kan klæbe sammen i sekvenser, hvor de vender i forskellige retninger for at lave, for eksempel, klynger, der opfører sig som en lille Pac-Man:Du kan åbne dem ved at anvende et magnetfelt og derefter lade dem lukke ved at slukke magnetfeltet. De lukker, fordi de frigiver den lagrede magnetiske energi. Dermed, du injicerer intern energi hver gang du åbner mikroklyngerne og slipper den, når de lukker. "

Forskerne gav derefter den lille Pac-Man en specifik opgave:at fange en levende celle, i dette tilfælde en gærcelle. Mikrobotten formede sig til en kasseformet form, og gennem dens åbnings- og lukkebevægelser, "svømmede" for at omgive gærcellen. Forskerne slukkede derefter for det magnetiske felt, der styrede foldningen af ​​mikroboten for at fange gærcellen, flyttede den og frigav den til sidst.

"Vi har her vist en prototype af selvfoldende mikrobot, "Sagde Velev, "der kan bruges som et mikrotool til at undersøge responsen fra bestemte celletyper, som kræftceller, for eksempel."

"Tidligere rapporterede mikrorobotiske strukturer har været begrænset til at udføre enkle opgaver som at skubbe og trænge ind i genstande på grund af deres stive kroppe. Evnen til at fjernstyre den dynamiske rekonfiguration af vores mikrobot skaber en ny 'værktøjskasse' til manipulation af mikroskalaobjekter og interaktion med dets mikromiljø , " sagde Koohee Han, en ph.d. kandidat i NC State og første forfatter af papiret.

"Når mikroboten folder, det kan komprimere væsker eller faste stoffer, og du kan bruge det som et værktøj til at måle massemekaniske egenskaber, som stivhed, " sagde Wyatt Shields, en postdoc-forsker ved Duke University og NC State University, der var medforfatter til papiret. "På nogle måder, det er et nyt metrologisk værktøj til måling af elasticitet på mikroskopisk niveau. "

Forfatterne siger, at designet af microbot origami efterligner naturen. "Terningssekvensen programmerer de foldende mikrobots former. Proteiner fungerer på samme måde, "Skjold sagde." Sekvensen af ​​aminosyrer i et protein vil bestemme, hvordan det folder sig, ligesom sekvensen af ​​terninger i vores mikrobot vil bestemme, hvordan den folder sig. "

Velev siger, at det fremtidige arbejde vil koncentrere sig om at få partiklerne til at bevæge sig af sig selv, frem for at styre dem med magnetfelter. Han arbejder på at lave bots, der selvkører i komplekse væsker med ikke-newtonsk adfærd. Shields studerer, hvordan dynamikken i omformningen af ​​mikroboter kan bruges til at studere mikrostrukturen i omgivende makromolekyler.