Научный прорыв в области микроскопической робототехники: исследователи создали биогибридных микророботов, используя в качестве основы обычные микроводоросли. Ключевая инновация заключается в нанесении на их поверхность специального магнитного покрытия, которое позволяет управлять движением этих микроскопических «пловцов» с помощью внешнего магнитного поля. Удивительно, но даже после такой модификации водоросли практически полностью сохраняют свою высокую скорость передвижения, что делает их идеальными кандидатами для адресной доставки лекарств в труднодоступные участки организма.
Биогибридные микророботы, сочетающие в себе живые клетки и искусственные материалы, представляют собой одно из самых перспективных направлений современной робототехники. Их главное преимущество — естественная способность к движению, которую можно усилить и направить в нужное русло. Интеграция микро- и наноматериалов открывает возможности для точного управления такими роботами в самых разных средах, включая плотные биологические ткани, куда традиционные устройства проникнуть не могут.
Ранее ученые уже экспериментировали с созданием управляемых микророботов на основе других биологических объектов. Например, были разработаны магнитные бактерии для доставки противораковых препаратов и модифицированные сперматозоиды для лечения бесплодия. Однако в последнее время внимание исследователей привлекла одноклеточная микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii (CR). Эта водоросль обладает уникальными свойствами: она исключительно быстро плавает благодаря двум жгутикам, чувствительна к свету и, что самое важное, биосовместима с человеческим организмом.
Ее жгутики позволяют ей развивать скорость, в 20–25 раз превышающую длину ее тела за секунду. Кроме того, водоросль не является генотоксичной, что делает ее безопасной для использования в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Ее способность к автофлуоресценции и относительно долгий жизненный цикл выгодно отличают ее от других клеток, используемых в подобных гибридных системах.
Несмотря на огромный потенциал, применение магнитного управления к микроводорослям до сих пор было сопряжено с трудностями. Оставалось неясным, как добавление магнитного слоя повлияет на их подвижность, особенно в стесненных условиях, имитирующих кровеносные сосуды. Кроме того, низкая эффективность процесса «биогибридизации» могла снизить управляемость всей популяции микророботов.
Группе ученых из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте удалось решить эти проблемы. Они разработали инновационный метод нанесения покрытия, который позволяет водорослям сохранять высокую подвижность. «Мы планируем использовать этих микророботов в сложных, небольших и очень ограниченных средах, таких как ткани», — пояснили авторы разработки.
«Наши результаты открывают путь для таких приложений, как адресная доставка лекарств, обеспечивают биосовместимые решения для лечения и открывают большой потенциал для будущих инноваций в биомедицине и других областях», — добавили исследователи.
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
Подробные результаты этого исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале.Почти неизменная скорость движения
Немецкие исследователи нашли способ «обучить» микроводоросли слушаться команд. Они функционализировали поверхность клеток, покрывая их тонким слоем природного полимера хитозана, к которому прочно прикреплялись магнитные наночастицы. Это покрытие действует как своеобразный магнитный жилет, позволяя извне, с помощью системы катушек и магнитов, задавать направление движения клетки.
Процесс создания такого биогибрида оказался не только эффективным (эффективность в 95,9% достигалась за считанные минуты), но и не нарушал ключевых функций водоросли. Чтобы проверить плавательные способности микророботов, ученые поместили их в жидкости с разной вязкостью — от воды до среды, похожей на слизь, — а также провели через искусственную трехмерную сеть микроцилиндров, имитирующую узкие капилляры.
Результаты превзошли ожидания: несмотря на дополнительную магнитную «ношу», микророботы сохранили впечатляющую скорость. В водной среде они двигались со средней скоростью 115 микрометров в секунду, что примерно в 11,5 раз превышает длину их тела за секунду. Этот показатель значительно превосходит достижения предыдущих моделей биогибридных роботов. Для сравнения, даже олимпийские пловцы-рекордсмены развивают скорость лишь около 1,4 длины тела в секунду.
Высокий потенциал для навигации в ограниченных пространствах
Эксперименты в искусственных микроканалах доказали, что магнитное управление — это не просто прихоть, а необходимость. Без внешнего магнитного поля микророботы, попав в узкий проход, обычно застревали и откатывались назад. Однако под воздействием направленного магнитного поля они уверенно преодолевали даже самые узкие участки лабиринта.
«Магнитное управление помогает биогибриду ориентироваться по магнитному полю, демонстрируя реальный потенциал для навигации в ограниченном пространстве — словно миниатюрный GPS», — объясняет Биргюль Аколпоглу, один из ведущих авторов исследования.
Единственным фактором, который заметно снижал скорость микропловцов, оказалась высокая вязкость среды. В густой среде их скорость падала до 1–2 длин тела в секунду, а траектория движения становилась зигзагообразной и менее предсказуемой.
«Это говорит о том, что путем точной настройки вязкости и магнитного выравнивания можно оптимизировать навигацию микророботов в сложных условиях», — отмечает соавтор исследования Саадет Фатма Балтаджи.
Способность адаптироваться к разным условиям имеет решающее значение для биомедицинских применений, где плотность и структура тканей могут сильно варьироваться. Помимо адресной доставки лекарств, таких как химиотерапевтические препараты прямо в опухоль, этих микророботов можно использовать для экологического мониторинга, промышленной очистки от микроскопических загрязнений и для фундаментальных исследований в области микрогидродинамики.
Читайте все последние новости о здоровье и медицине на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Исследователи разработали биогибридных микророботов, модифицировав микроводоросли с помощью специального магнитного покрытия.