Mikro- og nanosvømmere kan drives gennem medier, der ligner kropsvæsker

Mikro- eller endda nano-robotter kunne en dag udføre medicinske opgaver i menneskekroppen. Forskere fra Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart har nu taget et første skridt mod dette mål. Det er lykkedes dem at konstruere svømmekroppe, der samtidig opfylder to krav:de er små nok til at blive brugt i kropsvæsker eller endda individuelle celler, og de er i stand til at navigere gennem komplekse biologiske væsker.

I filmen Fantastic Voyage fra 1966, en ubåd komplet med besætning er krympet i størrelse, så den kan navigere gennem menneskekroppen, gør det muligt for besætningen at udføre kirurgi i hjernen. Dette scenarie forbliver i science fiction-området, og transport af et kirurgisk team til et sygdomssted vil helt sikkert forblive fiktion. Alligevel, bittesmå ubåde, der kunne navigere gennem kroppen, kunne have stor fordel:de kunne levere narkotika præcist til et målsted, et punkt på nethinden for eksempel. Og de kunne gøre det muligt at udføre genterapi i en bestemt celle.

Hvis det går ifølge Peer Fischer, leder af mikro, Nano and Molecular Systems Research Group ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, så vil læger i overskuelig fremtid opfordre mikro- eller endda nano-robotter til at udføre sådanne opgaver. De små hjælpere ville præcist komme ind på mål i kroppen, eliminerer behovet for flere større operationer, eller ved at gøre nogle procedurer minimalt invasive.

En mikroskopisk kammusling kunne ikke svømme i vand

Imidlertid, der er to grundlæggende udfordringer for at realisere disse mål. Naturligvis, sådanne køretøjer skal være små nok til at blive injiceret i øjeæblet, for eksempel, med en sprøjte. For det andet en gang introduceret i kroppen, de skal kunne bevæge sig gennem kropsvæsker og væv. På begge fronter, forskergruppen ledet af Peer Fischer har nu gjort betydelige fremskridt.

Sammen med forskere ved Technion i Israel og det tekniske universitet i Dortmund, den Stuttgart-baserede gruppe beskriver i et nyligt papir en slags kunstig kammusling blot et par hundrede mikrometer i diameter. De designede det, så enheden bevæger sig i væsker ved blot at åbne og lukke skallerne. Dette er ikke så indlysende, som det lyder. "Skallen er kun et par gange større end tykkelsen af ​​et menneskehår, "siger Fischer." En væske som vand er omtrent lige tyktflydende for disse enheder, som honning eller endda tjære er for os. "Og med så meget friktion i væsker, symmetriske bevægelser, såsom den gensidige åbning og lukning af en kammuslingskal, ville ikke resultere i nogen fremdrift. De frem og tilbage bevægelser forårsaget af de modsatte bevægelser ville simpelthen ophæve hinanden.

Af denne grund, mikro-kamuslingen ville faktisk ikke flytte sig fra stedet. Imidlertid, fordi forskerne på sigt har sat sig til at bruge enheden i biologiske medier, de testede deres svømmer direkte i passende modelvæsker. Disse har egenskaber, der adskiller dem fra vand. "De fleste kropsvæsker har den egenskab, at deres viskositet ændres afhængigt af bevægelseshastigheden, " siger Fischer. "I ledvæske fundet i leddene, for eksempel, hyaluronsyremolekyler arrangerer sig i netværkslignende strukturer, der resulterer i en høj viskositet. Men så snart noget bevæger sig gennem denne væske, det molekylære mesh brækker fra hinanden, og væsken bliver mindre tyktflydende".

Magnetisk kontrol bruges til at åbne og lukke kammuslingen

Forskerne udnyttede netop denne flydende egenskab. De styrer kammuslingen, så den åbner sig meget hurtigere, end den lukker. "Dette tidsmæssigt asymmetriske bevægelsesmønster får væsken til at være mindre tyktflydende under åbning end under det efterfølgende lukkeslag, "siger doktorand Tian Qiu, et medlem af teamet i Stuttgart. Således er afstanden, som kammuslingen tilbagelægger, når den åbnes, ikke den samme som afstanden, den bevæger sig bagud, når den lukkes, og dette forårsager fremdrift netto fremad. Dette er første gang en kunstig enhed af denne størrelse nogensinde har været i stand til at bevæge sig gennem væsker ved hjælp af symmetriske bevægelsescyklusser, siger Tian Qiu.

For at kontrollere deres mikrosvømmere, forskerne integrerede bittesmå sjældne jordarters magneter i de to kammuslingskaller. Dette sætter dem i stand til at kontrollere, hvordan kammuslingens skaller åbner og lukker – og i sidste ende hvordan enheden bevæger sig – ved at påføre et eksternt magnetfelt. Imidlertid, forskernes opdagelse af, at mikroenheder kan svømme gennem nogle væsker med symmetriske bevægelser, gælder ikke kun for magnetisk drevne mikro-robotter. Ja, en kammuslingformet miniubåd kunne også blive drevet af en aktuator, der reagerer, for eksempel, til temperaturændringer.

Den egentlige mikro-kammusling var lavet af en relativt hård plast. Udfordringen var at gøre skallerne ekstremt tynde, men samtidig robuste nok til at de forbliver stive i et viskøst medium.

Forskerne, who have published their work in Naturkommunikation , want to put their micro-swimmers to the test in specific biological fluids. "We're interested in the next step, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.

A nano-screw acts as a propeller

This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Imidlertid, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Nu, for første gang, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Af denne grund, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, for eksempel, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Theoretically, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

Så, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.