Гидрогелевые реснички задают новый стандарт в микроробототехнике

Реснички — это биологические структуры микрометрового размера, часто встречающиеся в природе. Их характерные высокочастотные трёхмерные колебательные движения (5–40 Гц) играют незаменимую роль в организме.

В мозге человека движение ресничек критически важно для созревания нейронов; в лёгких — для очистки дыхательных путей; в репродуктивной системе реснички транспортируют гаметы. Нарушение или повреждение ресничек может привести к расстройствам нейроразвития, дыхательной дисфункции, бесплодию или порокам развития эмбриона.

Учёные из отдела физического интеллекта Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте, Гонконгского университета науки и технологий и Университета Коч в Стамбуле создали искусственные реснички из гидрогеля, которыми можно управлять по отдельности или группами с помощью электрического поля.

Их работа, опубликованная в Nature, называется «3D-печатные гидрогелевые микроактюаторы-реснички с низковольтным управлением».

Каждый микроактюатор или микроробот имеет длину всего 18 микрометров и диаметр около 2 микрометров, что почти так же мало, как настоящие реснички. Учёные разместили сотни своих ресничек на гибкой плёночной подложке со встроенными электродами.

Вокруг каждой реснички расположены четыре небольших электрода. При включении электродов создаётся электрическое поле, заставляющее ионы внутри гидрогеля двигаться. Именно это контролируемое перемещение ионов приводит реснички в движение.

В зависимости от того, как учёные подают напряжение на электроды, гидрогелевые реснички могут изгибаться или вращаться. Включение электродов с одной стороны толкает ионы в этом направлении, заставляя ресничку изгибаться в ту же сторону. Чтобы заставить ресничку вращаться, четыре электрода включаются последовательно, что заставляет ионы двигаться по круговой траектории. Ресничка следует этому движению и плавно вращается в 3D.

«В малых масштабах использование электрических сигналов для управления движением ионов с целью активации оказалось высокоэффективным методом. Например, человеческое тело полагается на электрические мышечные сигналы для контроля распределения ионов в мышечной ткани, что затем генерирует движение», — говорит Земин Лю, первый автор исследования.

«Вдохновившись этим принципом, мы разработали микрометровые гидрогели с ионным приводом. Как и человеческая мышца, эти гидрогели двигаются, когда электрические сигналы стимулируют ионы внутри них. В нашей работе мы используем всего 1,5 вольта, что ниже порога электролиза в водных средах и совершенно безопасно, например, внутри человеческого тела».

Для создания крошечных массивов учёные использовали метод двухфотонной полимеризации (2PP). Команда печатала гидрогелевые реснички слой за слоем с нанометровой точностью, чтобы оптимизировать структуру гидрогелевой сети и производительность активации.

«Жидкость внутри нашего гидрогеля движется быстро, потому что мы создали крошечные нанометровые поры по всему материалу. Эти поры действуют как миниатюрные магистрали, позволяя жидкости течь быстрее и в большем объёме, что создаёт более сильные и эффективные движения», — говорит Вэньци Ху, руководившая группой биоинспирированных автономных миниатюрных роботов в MPI-IS, а ныне доцент Гонконгского университета науки и технологий.

«С нашей технологией изготовления даже очень низкого напряжения достаточно для создания сильного электрического поля, которое заставляет ионы быстро двигаться. Благодаря как структуре пор, так и сильному электрическому полю, наши искусственные реснички могут реагировать чрезвычайно быстро».

Команда протестировала свои микророботические реснички более 330 000 раз. Крошечные структуры почти не показали признаков износа. Это количество циклов соответствует примерно целому дню непрерывных колебаний с частотой 5 Гц — примерно естественному рабочему сроку службы настоящих биологических ресничек. Исследователи также продемонстрировали, что их искусственные реснички могут работать в различных типах жидкостей, включая биологически релевантные, такие как человеческая сыворотка и плазма мыши.

«В прошлом исследователи могли только наблюдать, как ведут себя природные реснички. Теперь у нас наконец-то есть роботизированная платформа, позволяющая изучать реснички в действии: как они движутся, как работают вместе как коллективная группа и какие типы жидкостей они могут транспортировать или перемешивать», — говорит Метин Ситти, возглавлявший отдел физического интеллекта в MPI-IS, а ныне президент Университета Коч в Стамбуле.

«Эти гидрогелевые реснички однажды могут быть использованы в биомедицинских условиях для восстановления или замены повреждённых ресничек. Как важный шаг вперёд в технологии микроактивации, они также открывают новые возможности для проектирования миниатюрных роботизированных систем, таких как продемонстрированная нами в этой работе машущая микромашина».

Эта технология ресничек может найти применение в реальном мире. Исследование прокладывает путь нескольким многообещающим направлениям:

• Новая платформа для изучения работы биологических ресничек: Исследователи теперь могут использовать эти искусственные массивы ресничек для тщательного тестирования того, как движутся природные реснички, как они коллективно работают вместе и как помогают в важных задачах, таких как развитие, восприятие окружающей среды и перемещение жидкостей.
• Потенциальные медицинские применения: Мягкие, управляемые гидрогелевые реснички могут вдохновить на создание будущих терапевтических устройств, предназначенных для замены или поддержки повреждённых ресничек в организме человека, особенно при заболеваниях, когда естественные реснички перестают нормально функционировать в дыхательной и репродуктивной системах и желудочках мозга.
• Основа для микророботов и микроустройств следующего поколения: Быстрая низковольтная активация, продемонстрированная в этой работе, может быть использована для проектирования новых типов крошечных роботов, микрофлюидных инструментов и передовых инженерных систем в малом масштабе.