Использование микроорганизмов для создания умных микросистем

Исследовательская группа из Департамента машиностроения Технологического университета Тоёхаси разработала метод создания био-гибридной системы, включающей микроорганизмы Vorticella. Метод позволяет формировать подвижные структуры в микрофлюидном канале и комбинировать их с вортицеллами. Система также демонстрирует преобразование движения из линейного во вращательное. Результаты опубликованы в журнале IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems 11 апреля 2019 года.

Клетки как альтернатива сложным системам управления

Для работы умных микросистем требуются сложные системы управления, размеры которых необходимо уменьшать. Клетки рассматриваются как возможная альтернатива таким системам, поскольку они интегрируют множество функций и реагируют на окружающую среду, что делает их пригодными для использования в умных микромеханических системах.

Vorticella как природный микродвигатель

В частности, Vorticella convallaria имеет стебелёк (длиной около 100 мкм), который способен сокращаться и расслабляться, работая как автономный линейный актуатор. Комбинация стебельков и подвижных структур может сформировать автономную микросистему. Однако создание таких био-гибридных систем в микрофлюидном канале затруднено из-за необходимости разработки метода клеточного паттернинга и биосовместимого процесса сборки.

Новый метод сборки в микрофлюидном канале

Исследователи разработали метод, включающий:

1. Использование водорастворимого сакрального слоя для формирования паттернов.
2. Фиксацию подвижных компонентов в микрофлюидном канале.
3. Размещение клеток Vorticella вокруг блоков в канале с помощью магнитной силы.

Эти процессы позволили продемонстрировать, как вортицелла преобразует движение подвижного компонента.

Мультидисциплинарный и биосовместимый подход

Как отмечает руководитель исследования Моэто Нагаи, создание "упряжи" для микроорганизма, которая могла бы следовать за его движениями, — сложная задача даже для эксперта по микрофабрикации. Она требует избегания опасных химикатов и мультидисциплинарного подхода, сочетающего знания в микрофабрикации и микробиологии.

Перспективы применения

После пермеабилизирующей обработки стебельки Vorticella начинают реагировать на изменение концентрации ионов кальция (Ca²⁺) и могут работать как кальций-чувствительные клапаны. Это открывает перспективы для создания:

• Автономных микрожидкостных клапанов, регуляторов и смесителей.
• Носимых умных микросистем, например, автоматической помпы для инфузии инсулина при диабете.