Forskere skaber fleksible biokompatible cilia, der kan styres af en magnet

Forskere ved University of Campinas's Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) i staten São Paulo, Brasilien, har udviklet en skabelonfri teknik til at fremstille cilia af forskellige størrelser, der efterligner biologiske funktioner og har flere anvendelsesmuligheder, fra at lede væsker i mikrokanaler til at fylde materiale ind i en celle, for eksempel. De meget fleksible cilia er baseret på polymercoatede jernoxidnanopartikler, og deres bevægelse kan styres af en magnet.

I naturen, cilia er mikroskopiske hårlignende strukturer, der findes i stort antal på overfladen af ​​visse celler, forårsager strømme i den omgivende væske eller, i nogle protozoer og andre små organismer, sørger for fremdrift.

For at fremstille de aflange nanostrukturer uden at bruge en skabelon, Watson Loh og postdoc Aline Grein-Iankovski coatede partikler af jernoxid (γ-Fe ₂ O ₃ , kendt som maghemite) med et lag af en polymer indeholdende termoresponsive phosphonsyregrupper og specialsyntetiseret af et specialiseret firma. Teknikken udnytter phosphonsyregruppernes bindingsaffinitet til metaloxidoverflader, fremstilling af cilia ved hjælp af temperaturkontrol og brug af et magnetfelt.

"Materialerne binder ikke ved stuetemperatur eller deromkring, og danner en klump uden stimulus fra et magnetfelt, "Loh forklarede. "Det er effekten af ​​magnetfeltet, der giver dem den aflange form af et cilium."

Grein-Iankovski startede med stabile partikler i opløsning og havde ideen om at få cilia under et forsøg på at aggregere materialet. "Jeg forberedte løse aflange filamenter i opløsning og tænkte på at ændre retningsfeltet, " huskede hun. "I stedet for at orientere dem parallelt med glaspladen, Jeg placerede dem i en vinkelret position og fandt ud af, at de derefter havde en tendens til at migrere til glassets overflade. Jeg indså, at hvis jeg tvang dem til at holde sig til glasset, Jeg kunne få en anden type materiale, der ikke ville være løst:dets bevægelse ville være ordnet og samarbejdende."

Den termoresponsive polymer binder sig til overfladen af ​​nanopartiklerne og organiserer dem i aflange filamenter, når blandingen opvarmes og udsættes for et magnetfelt. Overgangen sker ved en biologisk kompatibel temperatur (omkring 37 °C). De resulterende magnetiske cilia er "bemærkelsesværdigt fleksible", tilføjede hun. Ved at øge koncentrationen af ​​nanopartikler, deres længde kan varieres fra 10 til 100 mikron. En mikron (μm) er en milliontedel af en meter.

"Fordelen ved ikke at bruge en skabelon er ikke at være underlagt begrænsningerne ved denne metode, såsom størrelse, for eksempel, " Grein-Inakovski forklarede. "I dette tilfælde, for at producere meget små cilia ville vi være nødt til at lave skabeloner med mikroskopiske huller, hvilket ville være ekstremt besværligt. Justeringer af pelstæthed og ciliumstørrelse ville kræve nye skabeloner. Der skal bruges en anden skabelon for hver slutprodukttykkelse. Desuden, brug af en skabelon tilføjer endnu en fase til produktionen af ​​cilia, som er fremstillingen af ​​selve skabelonen."

Grein-Iankovski er hovedforfatter til en artikel offentliggjort i Journal of Physical Chemistry C om opfindelsen, som var en del af et tematisk projekt støttet af FAPESP, med Loh som hovedefterforsker.

"Det tematiske projekt involverer fire grupper, som undersøger, hvordan molekyler og partikler er organiseret på kolloidt niveau, betydning på niveau med meget små strukturer. Vores tilgang er at forsøge at finde måder at kontrollere disse molekyler på, så de aggregerer som reaktion på en ekstern stimulus, giver anledning til forskellige former med en række forskellige anvendelser, " sagde Loh.

Reversibilitet

Efter at magnetfeltet er fjernet, materialet forbliver aggregeret i mindst 24 timer. Det adskilles derefter med en hastighed, der afhænger af den temperatur, hvorved det blev fremstillet. "Jo højere temperatur, jo mere intens virkningen er, og jo længere den forbliver aggregeret uden for magnetfeltet, " sagde Grein-Iankovski.

Ifølge Loh, materialets reversibilitet er et positivt punkt. "Efter vores opfattelse at kunne organisere og desorganisere materialet, for at 'tænde og slukke for systemet', er en fordel, " sagde Loh. "Vi kan justere temperaturen, hvor længe det forbliver aggregeret, cilium længde, og pelstæthed. Vi kan tilpasse materialet til mange forskellige typer brug, organisere det og forme det til specifikke formål. Jeg tror på, at de potentielle anvendelser er utallige, fra biologisk til fysisk brug, herunder materialevidenskabelige applikationer."

En anden stor fordel, Grein-Iankovski tilføjede, er muligheden for at manipulere materialet eksternt, where the tool used to do so is not inside the system. "The filaments can be used to homogenize and move particles in a fluid microsystem, in microchannels, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, for eksempel."

The cilia can also be used in sensors, in which the particles respond to stimuli from a molecule, or to feed microscopic living organisms. "Ultimately it's possible to feed a microorganism or cell with loose cilia, which cross the cell membrane under certain conditions. They can be made to enter a cell, and a magnetic field is applied to manipulate their motion inside the cell, " Loh said.

I mere end ti år, Loh has collaborated with Jean-François Berret at Paris Diderot University (Paris 7, France) in research on the same family of polymers to obtain elongated materials for use in the biomedical field. "We're pursuing other partnerships to explore other possible uses of the cilia, " han sagde.

The scientists now plan to include a chemical additive in the nanostructures that will bind the particles chemically, obtaining cilia with a higher mechanical strength that remain functional for longer when not exposed to a magnetic field, if this is desirable.