Магнитные микроводоросли: крошечные пловцы на пути к превращению в роботов
Исследователи из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте создали биогибридного микропловца на основе микроводорослей, покрытого магнитным материалом. При этом способность к плаванию практически не пострадала от покрытия. Работа опубликована в журнале Matter.
В природе одноклеточные микроводоросли размером 10 микрон — прекрасные пловцы, движимые двумя жгутиками. Учёные покрыли водоросли тонким слоем натурального полимера хитозана (для адгезии), смешанного с магнитными наночастицами. Вопрос был в том, сохранят ли они способность перемещаться в узких пространствах и в вязкой жидкости, подобной слизи.
Оказалось, что дополнительная нагрузка почти не повлияла на микропловцов. С помощью жгутиков, совершающих движение, подобное брассу, водоросли продвигались вперёд. Несмотря на покрытие, они сохранили скорость плавания после намагничивания, демонстрируя среднюю скорость 115 микрометров в секунду (около 12 длин тела в секунду). Для сравнения: олимпийский пловец Майкл Фелпс развивает скорость около 1,4 длины тела в секунду.
Целью учёных было функционализировать поверхность одноклеточных организмов магнитным материалом, чтобы управлять их движением в любом желаемом направлении, превратив микроводоросли в микроробота.
Процесс покрытия клеток занял несколько минут, и в итоге 9 из 10 водорослей были успешно покрыты магнитными наночастицами. Сначала команда протестировала биогибридного робота в жидкости с вязкостью воды, используя внешние магнитные поля для управления направлением.
Затем исследователи направили своего робота через миниатюрные 3D-печатные цилиндры, создав сильно ограниченную среду, где наибольший размер был всего в три раза больше размера микроводоросли. Для управления использовались две системы: магнитные катушки и постоянные магниты вокруг микроскопа, создающие однородное поле с меняющимся направлением.
«Мы обнаружили, что биогибриды на основе микроводорослей перемещаются по 3D-печатным микроканалам тремя способами: отступление, пересечение и магнитное пересечение. Без магнитного управления водоросли часто застревали и возвращались к началу. Но с магнитным контролем они двигались плавнее, избегая границ», — говорит соавтор работы Биргюль Аколпоглу.
«Магнитное наведение помогло биогибридам выравниваться по направлению поля, показав реальный потенциал для навигации в ограниченных пространствах — это как дать им крошечный GPS».
На следующем этапе команда увеличила вязкость жидкости и снова отправила микророботов через узкие каналы.
«Мы хотели проверить, как наши пловцы будут вести себя в среде, подобной слизи. Мы обнаружили, что вязкость влияет на плавание. Более высокая вязкость замедляет их и меняет способ движения вперёд. При включении магнитного поля пловцы колебались, двигаясь вперёд зигзагообразно. Это подчёркивает, как тонкая настройка вязкости и магнитного выравнивания может оптимизировать навигацию микророботов в сложных средах», — добавляет Саадет Фатма Балтачы.
«Наше видение — использовать микророботов в сложных и малых, сильно ограниченных средах, таких как ткани нашего тела. Наши открытия открывают двери для таких применений, как целевая доставка лекарств, предоставляя биосовместимое решение для медицинских процедур с захватывающим потенциал для будущих инноваций в биомедицине и не только», — заключает команда.