Micro, modulair, mobiel – DNA-gekoppelde microrobots bieden nieuwe mogelijkheden in de geneeskunde en productie

Wanneer robots uit modulaire eenheden zijn gemaakt, kunnen hun grootte, vorm en functionaliteit worden aangepast om een ​​willekeurig aantal taken uit te voeren. Op microschaal kunnen modulaire robots toepassingen mogelijk maken zoals gerichte medicijnafgifte en autonome microproductie; maar het bouwen van honderden identieke robots ter grootte van een rode bloedcel kent zijn uitdagingen.

“Op deze schaal zijn robots niet groot genoeg om een ​​microcontroller vast te houden die hen vertelt wat ze moeten doen”, legt Taryn Imamura, een Ph.D. Kandidaat bij de afdeling Werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon Universiteit.

“Actieve colloïden (de robots) hebben wat wij belichaamde intelligentie noemen, wat betekent dat hun gedrag, inclusief de snelheid waarmee ze reizen, wordt bepaald door hun grootte en vorm. Tegelijkertijd wordt het moeilijker om microrobots te bouwen die dezelfde eigenschappen hebben grootte en structuur naarmate ze kleiner worden.”

Als gepubliceerd in Geavanceerde materiaaltechnologieënheeft Imamura een manier gevonden waarop onderzoekers de grootte en structuur van actieve colloïden kunnen controleren en tegelijkertijd meer dan 100 keer zoveel kunnen opleveren als bij eerdere fabricagemethoden. Ze bereikte dit, met steun van student-onderzoeker Nicholas Chung, door fysieke sjablonen te gebruiken om de grootte van de robotcomponenten te filteren en complexe assemblages te creëren met nauwkeurige controle over het lichaamsplan en de module-opstelling.

“Door gebruik te maken van de materiaaleigenschappen van de sjablonen hebben we productie-uitdagingen aangepakt, zodat we deze structuren in bulk kunnen produceren en kunnen bestuderen hoe deze robots zich op populatieniveau gedragen”, zei Imamura. “We hopen deze technologie te gebruiken om veel openstaande vragen over de dynamiek en functionaliteit van colloïdale microrobots te beantwoorden.”

Imamura, mede geadviseerd door Rebecca Taylor en Sarah Bergbretier, was in staat om het aantal geassembleerde microbots te vergroten zonder de controle over de microstructuurgeometrie in gevaar te brengen door materialen met hoge oppervlakte-energieën te gebruiken, zoals polycarbonaat en polystyreen, voor de sjablonen en microsferen. Deze bevinding zal leiden tot de assemblage van complexere microstructuren zoals microbots voor gerichte medicijnafgifte en microrotoren voor microfluïdische menging.

De actieve colloïden van het team zijn ook aan elkaar gekoppeld met behulp van compatibele DNA-nanostructuren – een innovatie die ze flexibel, wendbaar en responsief maakt op signalen in hun omgeving. Door biopolymeren zoals DNA te gebruiken om deze robots te construeren, kunnen onderzoekers ook sensoren toevoegen die al beschikbaar zijn in de literatuur over DNA-nanotechnologie aan de robots om een ​​micro-mobiel laboratorium te maken.

“We hebben aangetoond dat het DNA in onze microrobots hen in staat stelt specifieke acties uit te voeren, zoals gecontroleerde demontage, wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende stimuli”, legde ze uit.

“We kunnen ons voorstellen dat een van deze microzwemmers een medicijn naar een specifiek deel van het lichaam draagt, en zodra het zijn bestemming bereikt, ontvangt de microzwemmer een signaal om uit elkaar te gaan. Zodra dit gebeurt, zal de microzwemmer niet verder bewegen en zal het medicijn op de plaats van bestemming blijven.”

Normaal gesproken kan DNA-nanotechnologie alleen worden bestudeerd met behulp van dure apparatuur. In dit geval kunnen onderzoekers, omdat het DNA is vastgemaakt aan deeltjes op micronschaal, elk fenomeen op nanoschaal, zoals de veranderende vorm van de DNA-structuren, in realtime waarnemen door veranderingen in de beweging van het actieve colloïde onder een microscoop waar te nemen.

“Naast het creëren van populaties van actieve colloïden die dezelfde vorm, dezelfde grootte en flexibel gekoppeld zijn, hebben we de toegangsbarrière tot dit onderzoek verlaagd,” zei Imamura.

“Ik geloof dat het krijgen van meer onderzoekers met verschillende achtergronden die aan deze ingewikkelde problemen werken ons verder zal helpen, en door dit onderzoek toegankelijker te maken, zal ons werk het veld vooruit helpen.”