Team udvikler formtransformerende kolloid samling til målrettet lastlevering i mikroskala

I naturen er det almindeligt at finde strukturer, der kombinerer både blødt og hårdt materiale. Disse strukturer er ansvarlige for forskellige mekaniske egenskaber og funktioner af biologiske systemer. Som et typisk eksempel besidder den menneskelige rygsøjle skiftevis stakke af hårde knogler og bløde intervertebrale diske, som er en essentiel arkitektur, der understøtter den menneskelige krop og samtidig bibeholder kroppens fleksibilitet.

At efterligne den bløde-hårde struktur i naturen kan i princippet inspirere til design af kunstige materialer og enheder, såsom aktuatorer og robotter. Realiseringen af ​​disse strukturer har imidlertid været ekstremt udfordrende, især på mikroskalaen, hvor materialeintegration og manipulation bliver meget mindre praktisk.

Med det mål at fremme biomimetiske mikroskalamaterialer har forskerholdet ledet af Dr. Yufeng Wang fra Department of Chemistry ved The University of Hong Kong (HKU) udviklet en ny metode til at skabe mikroskala-overbygninger, kaldet MicroSpine, som besidder både bløde og hårde materialer, der efterligner rygsøjlens struktur og kan fungere som mikroaktuatorer med formtransformerende egenskaber. Dette gennembrud, udgivet i Science Advances , blev opnået gennem kolloid samling, en simpel proces, hvor nano- og mikropartikler spontant organiserer sig i ordnede rumlige mønstre.

Mange biologiske organismer, lige fra pattedyr til leddyr og mikroorganismer, indeholder strukturer af synergistisk integrerede bløde og hårde komponenter. Disse strukturer eksisterer i forskellige længder, fra mikrometer til centimeter, og tegner sig for de karakteristiske mekaniske funktioner af biologiske systemer. De har også stimuleret skabelsen af ​​kunstige materialer og enheder, såsom aktuatorer og robotter, som ændrer form, bevæger sig eller aktiverer i henhold til eksterne signaler.

Selvom blød-hårde strukturer er nemme at fremstille på makroskala (millimeter og derover), er de meget sværere at realisere på mikroskala (mikrometer og derunder). Dette skyldes, at det bliver mere og mere udfordrende at integrere og manipulere mekanisk adskilte komponenter i mindre skala. Traditionelle fremstillingsmetoder, såsom litografi, står over for flere begrænsninger, når de forsøger at skabe komponenter i lille skala ved hjælp af top-down-strategier. For eksempel kan lavt udbytte opstå, fordi små fremstillingsprocesser er mere komplekse og kræver større præcision, hvilket kan øge risikoen for defekter og fejl i det endelige produkt.

For at tackle udfordringen tog Dr. Wang og hans team en anden tilgang, kaldet kolloid samling. Kolloider er små partikler, der er 1/100 på størrelse med menneskehår og kan fremstilles af forskellige materialer. Når de er konstrueret korrekt, kan partiklerne interagere med hinanden og spontant samles til ordnede overbygninger.

Som en bottom-up metode er kolloid samling fordelagtig til fremstilling af strukturer i mikroskala, fordi det giver mulighed for præcis kontrol over skabelsen af ​​de ønskede strukturer fra forskellige byggeklodser med et højere udbytte. Alligevel er vanskeligheden, hvordan man guider partiklerne til at samle sig til den ønskede blød-hårde struktur.

Ved at bruge rygsøjlen som grundlag for design, har teamet opfundet nye partikler afledt af metal-organiske rammer (MOF'er), et spirende materiale, der kan samles med høj retningsbestemthed og specificitet. Da de også er den hårde komponent, kan disse MOF-partikler kombineres med bløde væskedråber for at danne lineære kæder. De hårde og bløde komponenter indtager skiftende positioner i kæden og efterligner rygsøjlens struktur, det vil sige MicroSpine.

"Vi introducerer også en mekanisme, hvorved den bløde komponent i kæden kan udvide sig og krympe, når MicroSpine opvarmes eller afkøles, så den kan ændre form reversibelt," forklarede Dengping Lyu, den første forfatter af papiret, såvel som Ph. D. Kandidat i Kemisk Institut på HKU.

Ved hjælp af MicroSpine-systemet demonstrerede teamet også forskellige præcise aktiveringstilstande, når de bløde dele af kæden modificeres selektivt. Derudover er kæderne blevet brugt til indkapsling og frigivelse af gæstegenstande, udelukkende styret af temperatur.

Realiseringen af ​​disse funktioner er væsentlig for den fremtidige udvikling af systemet, da det kan føre til skabelsen af ​​intelligente mikrorobotter, der er i stand til at udføre sofistikerede mikroskalaopgaver, såsom lægemiddellevering, lokaliseret sensing og andre applikationer. De meget ensartede og præcist strukturerede mikroskalakomponenter kunne bruges til at skabe mere effektive lægemiddelleveringssystemer eller sensorer, der kan detektere specifikke molekyler med høj følsomhed og nøjagtighed.

Forskerholdet mener, at denne teknologi repræsenterer et vigtigt skridt hen imod at skabe komplekse mikroskalaenheder og maskiner. Ifølge Dr. Wang, "Hvis du tænker på moderne maskiner såsom biler, er de samlet af titusindvis af forskellige dele. Vi sigter efter at opnå det samme niveau af kompleksitet ved at bruge forskellige kolloide dele." Ved at hente inspiration fra naturen håber forskerholdet at designe flere biomimetiske systemer, der kan udføre komplekse opgaver i mikroskala og videre.

Flere oplysninger: Dengping Lyu et al., Biomimetiske termoresponsive overbygninger ved kolloid blød og hård samsamling, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh2250

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Hong Kong