Учёные из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте совершили прорыв в области биогибридных микроплавательных систем. Исследователи из Департамента физического интеллекта разработали метод покрытия микроводорослей магнитным материалом, что позволяет контролировать их движение. Результаты этой новаторской работы были опубликованы в журнале "Matter".
Микроводоросли представляют собой одноклеточные организмы размером всего десять микрон. Их естественный двигательный механизм состоит из двух похожих на хлысты жгутиков, расположенных в передней части клетки. Эти жгутики позволяют водорослям передвигаться способом, напоминающим брасс в плавании. После магнетизации микроводоросли способны развивать скорость до 115 микрометров в секунду, что эквивалентно 12 длинам их собственного тела за секунду. Для сравнения, олимпийский чемпион Майкл Фелпс в своих лучших заплывах достигает скорости лишь 1,4 длины тела в секунду.
Методология создания магнитных микроводорослей оказалась на удивление эффективной. Исследователи использовали хитозан, природный полимер, смешанный с магнитными наночастицами, для покрытия водорослей. Процесс занимает всего несколько минут и имеет впечатляющий показатель успеха: 9 из 10 водорослей успешно приобретают магнитное покрытие. Тестирование проводилось в трёх различных средах: в жидкости, похожей на воду; в сильно ограниченных 3D-печатных цилиндрах, размеры которых всего в 3 раза превышали размеры самих микроводорослей; и в вязкой жидкости, имитирующей слизь.
Для управления движением магнитных микроводорослей учёные разработали две системы: одна основана на магнитных катушках, другая использует постоянные магниты, расположенные вокруг микроскопа. Эти системы создают однородное магнитное поле с изменяющимися направлениями, позволяя точно контролировать траекторию движения микроорганизмов.
Результаты исследования показали, что магнитное покрытие практически не влияет на естественную способность водорослей к плаванию. В микроканалах были выявлены три типа навигационного поведения: возвратное движение, пересечение и магнитное пересечение. Без магнитного управления водоросли часто застревали и были вынуждены двигаться в обратном направлении. С магнитным управлением их движение становилось более плавным, и они могли избегать столкновений с границами каналов. В вязких средах движение замедлялось, а при применении магнитного поля наблюдался зигзагообразный паттерн перемещения.
Исследование совместно возглавили Биргюль Акольпоглу и Саадет Фатма Балтаджи. «Наше предыдущее исследование было сосредоточено на микроплавательных системах на основе бактерий для доставки лекарств», — отмечают учёные. Их текущая работа развивает эту концепцию, предлагая более совершенный подход к созданию биогибридных микророботов.
Потенциальные применения этой технологии впечатляют. Магнитные микроводоросли могут быть особенно эффективны в сложных и малых замкнутых средах, таких как человеческие ткани. Они открывают новые возможности для целенаправленной доставки лекарств и биосовместимых медицинских процедур. Исследователи видят в этой технологии потенциал для инноваций не только в биомедицине, но и в других областях, где требуется точное микроманипулирование.
Изображение носит иллюстративный характер
Микроводоросли представляют собой одноклеточные организмы размером всего десять микрон. Их естественный двигательный механизм состоит из двух похожих на хлысты жгутиков, расположенных в передней части клетки. Эти жгутики позволяют водорослям передвигаться способом, напоминающим брасс в плавании. После магнетизации микроводоросли способны развивать скорость до 115 микрометров в секунду, что эквивалентно 12 длинам их собственного тела за секунду. Для сравнения, олимпийский чемпион Майкл Фелпс в своих лучших заплывах достигает скорости лишь 1,4 длины тела в секунду.
Методология создания магнитных микроводорослей оказалась на удивление эффективной. Исследователи использовали хитозан, природный полимер, смешанный с магнитными наночастицами, для покрытия водорослей. Процесс занимает всего несколько минут и имеет впечатляющий показатель успеха: 9 из 10 водорослей успешно приобретают магнитное покрытие. Тестирование проводилось в трёх различных средах: в жидкости, похожей на воду; в сильно ограниченных 3D-печатных цилиндрах, размеры которых всего в 3 раза превышали размеры самих микроводорослей; и в вязкой жидкости, имитирующей слизь.
Для управления движением магнитных микроводорослей учёные разработали две системы: одна основана на магнитных катушках, другая использует постоянные магниты, расположенные вокруг микроскопа. Эти системы создают однородное магнитное поле с изменяющимися направлениями, позволяя точно контролировать траекторию движения микроорганизмов.
Результаты исследования показали, что магнитное покрытие практически не влияет на естественную способность водорослей к плаванию. В микроканалах были выявлены три типа навигационного поведения: возвратное движение, пересечение и магнитное пересечение. Без магнитного управления водоросли часто застревали и были вынуждены двигаться в обратном направлении. С магнитным управлением их движение становилось более плавным, и они могли избегать столкновений с границами каналов. В вязких средах движение замедлялось, а при применении магнитного поля наблюдался зигзагообразный паттерн перемещения.
Исследование совместно возглавили Биргюль Акольпоглу и Саадет Фатма Балтаджи. «Наше предыдущее исследование было сосредоточено на микроплавательных системах на основе бактерий для доставки лекарств», — отмечают учёные. Их текущая работа развивает эту концепцию, предлагая более совершенный подход к созданию биогибридных микророботов.
Потенциальные применения этой технологии впечатляют. Магнитные микроводоросли могут быть особенно эффективны в сложных и малых замкнутых средах, таких как человеческие ткани. Они открывают новые возможности для целенаправленной доставки лекарств и биосовместимых медицинских процедур. Исследователи видят в этой технологии потенциал для инноваций не только в биомедицине, но и в других областях, где требуется точное микроманипулирование.
