В последние годы ученые представили большое разнообразие роботов всех форм и размеров. Среди них есть микропловцы, тщательно спроектированные микроструктуры, которые могут двигаться в воде и других жидкостях.

У микропловцов может быть множество интересных применений, например, они позволяют врачам доставлять лекарства в нужные области человеческого тела, а ученым — вводить определенные вещества в водную среду. Хотя некоторые из этих роботизированных систем достигли замечательных результатов, большинство из них оказались неспособными эффективно перемещаться внутри человеческого тела.

Исследователи из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка (MPI-IS) недавно разработали новые управляемые светом микропловцы, которые могут больше подходить для навигации в биологических системах, включая жидкости организма. Эти микропловцы, представленные в статье, опубликованной в журнале Science Robotics , представляют собой простые микрочастицы на основе двумерного (2D) нитрида углерода поли(гептазинимида) или PHI.

«Наше исследование возникло из-за необходимости иметь биосовместимый органический материал, который можно было бы использовать в качестве световых микропловцов», — сказал TechXplore Варун Шридхар, один из исследователей, проводивших исследование. «Наша цель состояла в том, чтобы создать биосовместимый органический микропловец, который мог бы плавать в биологической среде, содержащей соли, и, таким образом, мог бы разумно доставлять лекарства по требованию».

Шридхар ранее проводил другие исследования, изучая потенциал микропловцов, управляемых светом (т. е. микропловцов, которые реагируют на видимый свет). В сотрудничестве с Филипом Подьяски, исследователем из Института исследований твердого тела им. Макса Планка, он начал проверять и улучшать их двигательный механизм , используя различные материалы для их создания, а затем проверяя их характеристики.

Первоначально команда MPI-IS изучала диоксид титана и монооксид кобальта, но затем они попытались использовать органические материалы для преобразования света. Они обнаружили, что последние были особенно многообещающими и эффективными, и начали исследовать проблемы, препятствующие работе микропловцов в целом, большинство из которых связано с присутствием ионов, препятствующих движению.

«Поскольку материалы из нитрида углерода, над которыми я работал, проявляли улучшенные свойства в присутствии ионов, такие как катализ преобразования энергии, необходимый для движения, ионная накачка и изменения свойств, происходящие вместе с внутренней зарядкой с помощью ионов, мы решили изучить их, чтобы преодолеть некоторые ограничения в этой области, и это сработало очень хорошо», — сказал Подьяски Android-Robot.com. «Затем мы добавили в исследование различные системы нитрида углерода, которые имеют менее выраженное взаимодействие с ионами, чтобы лучше понять, что здесь происходит (т. е. какие свойства дает чистая пористость, а наши микроплавающие частицы (наниты) фактически представляют собой губчатые структуры) и что получается ». сверху от внутренних «ионных взаимодействий» (материальные взаимодействия с ионами соли,, которые находятся во всех биологических жидкостях)».

Новые световые микропловцы, разработанные Сридхаром, Подджаски и их коллегами, изготовлены из материала на органической основе, известного как нитрид углерода, который обладает фотокаталитическими свойствами. Это означает, что когда свет падает на материал, он поглощается и создает электрические заряды, которые используются для запуска химических реакций.

«Заряды реагируют с биологическими жидкостями, и эта реакция в сочетании с электрическим полем вокруг частицы заставляет микропловцов плавать», — объяснил Шридхар. «Нитрид углерода PHI также может накапливать заряды, когда на него падает свет, ведя себя как солнечная батарея, что также можно использовать для улучшения их свойств доставки лекарств».

PHI, материал, используемый исследователями, может поглощать световую энергию подобно солнечным элементам. Затем эта энергия используется для приведения в движение каждой частицы, позволяя ей двигаться в жидкости. По существу, движение частиц зависит от каталитических реакций, происходящих на их поверхности.

«Процесс под названием «фотокатализ» изучается и используется для прямого преобразования солнечной энергии в химическую», — сказал Подьяски. «Нитриды углерода являются очень эффективными фотокатализаторами, поэтому они также хорошо «плавают» на свету». Кроме того, их синтез очень прост и дешев, так как он основан на обильных органических прекурсорах, таких как мочевина (например, из мочи), что делает их очень многообещающими и широко доступными материалами».

Чтобы двигать частицы, исследователи полагались на движущую силу (то есть свет, обеспечивающий фотокатализ) и нарушение симметрии, которое толкает их в определенном направлении. Таким образом, они использовали свет факела, который освещал одну половину сферы, оставляя другую темной, создавая градиент реакций с обеих сторон. Наконец, поскольку пловцы были разработаны для погружения в жидкости, команда позаботилась о том, чтобы движущая сила была сильнее, чем «замедление» окружающей среды.

«Ионы соли в воде представляют собой большую проблему, поскольку они разрушают движущее силовое поле вокруг частицы», — сказал Подьяски. «Мы обнаружили, что достаточно обеспечить поток ионов через частицу, чтобы в принципе преодолеть это сильное «замедление». является «ускоренным».

В первоначальных экспериментах исследователи продемонстрировали эффективное движение микропловцов в жидкостях с низким и средним значением, например, внутри биологических организмов, а также в сильно соленых водах, таких как воды Мертвого моря. Эти данные свидетельствуют о том, что в конечном итоге пловцов можно будет использовать для доставки лекарств внутрь человеческого тела и в другие биологические системы .

«Микропловцы также чувствительны к условиям окружающей среды внутри тела и могут быть вызваны светом или изменениями pH для высвобождения лекарств», — сказал Шридхар. «Высвобождение, вызванное светом, также чувствительно к средам с дефицитом кислорода, например, к тем, которые находятся вокруг раковых клеток. Таким образом, микропловцы могут более эффективно высвобождать лекарства вблизи раковых клеток, в конечном итоге эффективно убивая их».

В будущем исследователи планируют протестировать созданных ими микроплавателей (наниты) в реальных биологических средах, таких как клеточные культуры, биологические жидкости или морская вода. Чтобы создать микропловцов, которые могли бы двигаться в этих средах, исследователям ранее приходилось вводить токсичные добавки в качестве топлива для движения. Способность естественным образом передвигаться в морской воде и телесных жидкостях может сделать этих микропловцов поистине революционными.

«Хотя пока мы тестировали их только вне живых организмов, наши частицы нитрида углерода биосовместимы и, по-видимому, не вызывают иммунных реакций», — сказал Подьяски. «Более того, они сохраняют все свои свойства при освещении видимым светом и не разлагаются. Это не было сконструировано, это, по-видимому, естественный результат использования материала на органической основе, который сам по себе очень стабилен (т.е. не допускает самопроизвольного химического воздействия). взаимодействия с компонентами тела клеток)».

В то время как многие исследования изучали нитриты углерода в прошлом, Шридхар, Подджаски и их коллеги одними из первых продемонстрировали их потенциал в качестве микроплавателей (нанитов) , работающих в живых системах. Кроме того, используемые ими частицы имеют губчатую структуру, содержащую множество пор и пустот, а это значит, что они легко могли пропитываться лекарствами в больших количествах. Примечательно, что команда обнаружила, что химиотерапевтический препарат доксорубицин остается прочно связанным с частицами, но его можно легко высвобождать в нужных местах, просто изменяя рН или освещая частицы. Это может относиться и к другим наркотикам.

«Для наших изначально пористых частиц без какой-либо специальной инкапсуляции это вообще не происходит само по себе», — сказал Подьяски. «Лекарство от рака доксорубицин остается связанным более месяца. Для доставки лекарств, нацеленных на одно место и действующих в нужное время, это фундаментальное и очень новое наблюдение».

Наниты (нанороботы) для доставки лекарств, представленные в прошлом, полагались на «искусственные капсулы», которые должны были быть наполнены лекарствами и доставлены в определенные места в теле. Однако создание этих капсул могло быть сложным и дорогим. Напротив, частицы используемые исследователями, дешевы, органичны и губчаты по своей конструкции, связываются непосредственно с лекарствами или другими веществами. Это означает, что их может быть легче реализовать в больших масштабах. Примечательно, что они также могут быть загружены большим количеством лекарств (т.е. 185% собственной массы), чем другие материалы, использовавшиеся в прошлом.

«Эти механизмы уже использовались раньше, и они полезны, но только частично, так как действительно благоприятные условия находятся только в желудке, а свет также требуется для движения, поэтому лекарство затем высвобождается полностью, что не суперконтролируется, — сказал Подьяски. «Действительно удивительная вещь, которую мы обнаружили и ожидали, заключается в том, что наши микропловцы могут внутренне ощущать или диагностировать среду с низким содержанием кислорода (сценарий, который естественным образом создают раковые клетки, называемый гипоксией), а затем усиливать высвобождение загруженного лекарства при освещении».

Микропловцы, созданные этой группой исследователей, являются «теаностиками», что означает, что они могут одновременно выполнять как диагностические, так и терапевтические функции. Их механизм работы имитирует работу нейронов, которые ощущают окружающую среду и передают сообщения другим частям тела.

«Все свойства, которые мы продемонстрировали, возможны при использовании одного материала, без его модификации, адаптации его исходных функций, чтобы сделать его биосовместимым, без добавления искусственных капсул для лекарств и без сенсорных частей, которые следят за pH или содержанием кислорода», — добавил Подьяски. «Изготовить это в микрометровом масштабе (1/1000 мм, 1/100 волоса) в настоящее время технически невозможно, так как это дорого и сложно. Я думаю, что истинная красота нашей работы заключается в том, что с нашими микропловцами это происходит естественным образом, используя очень дешевый материал, который легко приготовить».

В конечном счете, это недавнее исследование может вдохновить на разработку более доступных микророботов, способных перемещаться в биологической среде. Пловцы могут быть особенно полезны для доставки лекарств или вмешательства в определенные части тела, до которых может добраться свет, например, на кожу, прозрачные ткани или внутрь глаза. Комбинации этих новых пористых и органических материалов с традиционно неорганическими микророботами также могут обеспечить новые функции.

«Когда его сделают инфракрасным (ИК) активным (мы работаем над этим), приложения вблизи кожи будут работать», — сказал Шридхар. «Прозрачные ткани, такие как глаза, будут работать, и доставка лекарств в желудок будет легкой. Они также могут быть интересны для всех видов рака или биомедицинских лабораторных исследований с использованием чашек Петри, где изучают действие лекарств на клетки». В этих случаях ионная толерантность является обязательной, поскольку всем клеткам требуется такая среда для выживания и работы».

Помимо доставки лекарств внутрь человеческого тела, микропловцы также могут помочь вводить определенные вещества в озера или океан. Например, пловцов можно использовать в природных условиях, находящихся под угрозой исчезновения, для лечения определенных видов животных или уничтожения вредных организмов.

«Теперь, когда у нас есть план того, как заставить световых микропловцов двигаться в реальных биологических условиях, мы хотели бы расширить его и сделать световых микропловцов, которые могут плавать при красном свете. Так они смогут проникать глубже. внутри кожи и тканей и питать микропловцы», — сказал Шридхар.

Чтобы упростить введение своих микроплавателей (нанитов) в организм человека и другие биологические среды, исследователи теперь планируют сделать их активными для инфракрасного света. Это позволит им адаптировать свойства адгезии и высвобождения частиц с помощью инфракрасного света . В качестве альтернативы они могли бы изучить потенциал их настройки с использованием магнитных сил, создав гибридные структуры с использованием металлов.

«Зарядные, сенсорные и чувствительные свойства наших микропловцов также открывают совершенно новые возможности для «умных микророботов», — сказал Подьяски. «Наши следующие исследования также будут изучать их, поскольку они могут обеспечить очень простые «нейроморфные действия», которые планируется использовать для вычислений следующего поколения, но они совсем не продвинуты для сценариев реального мира, особенно в контексте биологии. Это будет в далеком будущем, но в настоящее время мы закладываем основу для наших исследований, изучая новые концепции приложений и другие материалы, которые могут это сделать».