Små svømmedonuts leverer varerne

Bakterier og andre svømmende mikroorganismer udviklede sig til at trives i udfordrende miljøer, og forskere kæmper for at efterligne deres unikke evner til biomedicinske teknologier, men fremstillingsudfordringer skabte en flaskehals i fremstillingen. Mikroskopisk, 3D-trykt, tori - donuts - belagt med nikkel og platin kan bygge bro mellem biologiske og syntetiske svømmere, ifølge et internationalt hold af forskere.

Disse mikrosvømmere efterligner biologisk adfærd og kan en dag levere målrettede lægemidler eller røre prøver i laboratorier-på-en-chip - en miniature-enhed, der efterligner et komplet laboratorium på en mikrochip.

"Disse donuts kan i sidste ende have medicinske anvendelser som aktive materialer, "sagde Igor Aronson, Huck Chair professor i biomedicinsk teknik, Kemi og matematik, Penn State.

Aktive materialer er dem, der bevæger sig på egen hånd som bakterier eller kunstige mikrosvømmere.

"Det er virkelig svært at få tingene til at blande, når du bruger en lab-on-a-chip, "sagde Remmi Danae Baker, ph.d.-kandidat i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Disse mikrotorier, fordi de er aktive materialer og bevæger sig af sig selv, kan bruges til at hjælpe med mikroblanding."

Forskerne fremstiller disse donuts ved hjælp af en Nanoscribe Photonic Professional GT-maskine, der gør det muligt at skabe de 3, 7 eller 14 mikrometer donuts med trykte funktioner på op til 200 nanometer. Edderkoppesilke er 3 til 10 mikrometer i diameter. Nanoscribe anvender præcis laserteknologi og specialdesignede fotoresister til at opnå dette.

"Vi skaber to forskellige designs, vandret og lodret, "sagde Baker." Horisontale tori er trykt fladt på det støttende glasglas, glaseret med nikkel og derefter platin. Lodrette tori er 3-D printet opretstående og er derefter dyppet i nikkel og platin."

De vandrette donuts er perfekt cirkulære og ligner isdoughnuts, med glasuren tykkere på toppen end på siderne. Den lodrette version har én flad ende, så de står til dypning og kun dyppes halvvejs.

Nikkel tjener to formål. Platin klæber ikke til plastikmikro-donuts, men nikkel vil og platin vil holde sig til nikkel. Også, nikkel er magnetisk, så forskerne kan manipulere donuts med magnetfelter.

"Gitterne i nikkel- og platinlagene matcher ret godt, sagde Baker.

Forskerne ønsker, at donuts skal opføre sig som levende organismer - at svømme i vand og reagere på signaler. Levende ting har brug for mad eller brændstof til bevægelse. Til forsøget, forskerne placerede mikrotorien i en hydrogenperoxidopløsning, som var brændstoffet. Platin nedbryder hydrogenperoxid og driver fremdriften af ​​donuts.

"Oprindeligt, man troede, at en vandret torus bare ville rejse sig fra underlaget og svæve, men det sker ikke, " sagde Aronson. "I stedet for at rejse sig lige op, de begynder at tippe, når en 15 graders vinkel, og så svømmer de som en jetskiløber."

Mens de vandrette mikrotorier bevæger sig i en lige linje, Aronson bemærker, at en lodret torus ikke vil bevæge sig i retning af magnetfeltet, men når magnetfeltet øges, torusen skaber større og store flade sløjfer, indtil bevægelsen bliver en lige linje.

Forskerne rapporterer i dag (30. oktober) i Naturkommunikation at "Torien manipulerede og transporterede også andre kunstige svømmere, bimetalliske nanorods, såvel som passive kolloide partikler." De bimetalliske stænger ligner bakterier, og dette er det første skridt til at manipulere biologisk materiale som celler og bakterier.

De to former for mikrodonuts opfører sig forskelligt, når de transporterer partikler eller aktivt materiale. Vandret tori, dem iset som donuts, transporterer aktivt bimetalliske nanorods.

Forskerne fandt en række nye adfærdsmønstre for disse 3-D-printede kemisk drevne mikrosvømmere. Både deres eksperimentelle og modellerende tilgange er anvendelige til andre mikrosvømmere drevet af alternative metoder til hydrogenperoxid. For biologiske systemer, mikrosvømmere kan bruge biokompatible fremdriftssystemer som enzymer eller lys.

Forskerne bemærker, at "disse biokompatible, 3-D printede mikrosvømmere ville så være i stand til at forbinde og manipulere biologisk aktivt stof, hvilket fører til udviklingen af ​​intelligent celletransport og terapi."