Magnetische microalgen: kleine zwemmers zijn op een missie om robots te worden

Een team van onderzoekers van het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) in Stuttgart ontwikkelde een biohybride microzwemmer bedekt met magnetisch materiaal, waarvan het zwemvermogen grotendeels niet wordt beïnvloed door de coating. Het team van de Fysieke Intelligence Department bij MPI-IS gepubliceerd Hun werk in het dagboek Materie.

In de natuur zijn de tien-micron kleine, eencellige microalgen fantastische zwemmers, voortgestuwd door hun twee zweepachtige flagella aan de voorkant. Het was echter niet duidelijk wat er zou gebeuren als wetenschappers de algen bedekten met een dunne coating van het natuurlijke polymeerchitosan (voor goede hechting) gemengd met magnetische nanodeeltjes. Zou de kleine zwemmer nog steeds zijn weg kunnen vinden door strakke ruimtes en – als dat niet uitdagend genoeg was – door een viskeuze vloeistof met een dichtheid vergelijkbaar met slijm?

De wetenschappers ontdekten dat hun groene algen-gebaseerde microzwemmers nauwelijks werden getroffen door de extra lading. Met hun flagella, die een borsttakbeweging uitvoeren, katapulteerden de algen zich naar voren als een snel rijdende kogel. Ondanks de coating handhaafden ze hun zwemsnelheid na magnetisatie, met een gemiddelde zwemsnelheid van 115 micrometer per seconde (ongeveer 12 lichaamslengtes per seconde). Ter vergelijking: een Olympische zwemmer zoals Michael Phelps kan een snelheid van 1,4 lichaamslengtes per seconde bereiken. Merk op dat de algen slechts een cel zijn zonder benen en voeten.

Birgül Akolpoglu en Saadet Fatma Baltaci, die de studie mede geleid, zijn wetenschappers van de afdeling fysieke inlichtingen aan MPI-IS. Een paar jaar geleden hebben ze onderzocht hoe Op bacteriën gebaseerde microzwemmers kan magnetisch worden geregeld in vloeistofruimtes voor toepassingen voor medicijnafgifte. Nu hebben ze hun aandacht gevestigd op microalgen. Hun doel was om het oppervlak van de eencellige organismen te functioneren met een magnetisch materiaal, zodat ze in elke gewenste richting konden worden gestuurd – de microalgen in een microrobot in te zetten.

Coating De cellen duurden slechts enkele minuten, met – uiteindelijk – negen van de tien algen met succes bedekt met de magnetische nanodeeltjes. Het team testte voor het eerst hun biohybride robot die in een vloeistof zo dun als water zwemde. Met behulp van externe magnetische velden konden ze de richting regelen waarin de microalgen zwommen.

De onderzoekers stuurden vervolgens hun robot langs miniatuur 3D-geprinte cilinders, waardoor een zeer beperkte omgeving ontstond waar de grootste dimensie slechts drie keer zo groot was als de kleine microalgen. Om te zien of de besturing succesvol was, heeft het team twee verschillende systemen opgezet: een met magnetische spoelen en een andere met permanente magneten rond hun microscoop. Ze creëerden een uniform magnetisch veld en veranderden herhaaldelijk van richting.

“We hebben geconstateerd dat microalgal biohybriden op drie manieren 3D-geprinte microkanalen navigeren: backtracking, kruising en magnetische kruising. Zonder magnetische begeleiding raakten de algen vaak vast en backtracked naar het begin. Maar met magnetische controle, ze bewogen glad,” zegt de co-virst-auteur van de publicatie, de co-concepte studie.

“Magnetische begeleiding hielp de biohybriden in overeenstemming met de richting van het veld, wat het reëel potentieel toont om in besloten ruimtes te navigeren – een soort dingen die ze een kleine GPS geven.”

In een volgende stap verhoogde het team de viscositeit van de vloeistof en stuurde hun microrobots opnieuw door de smalle kanalen.

“We wilden testen hoe onze zwemmers zouden presteren in iets dat vergelijkbaar is met slijm. We ontdekten dat viscositeit beïnvloedt hoe de microalgale biohybriden zwemmen. Hogere viscositeit vertraagt ​​ze naar beneden en verandert de manier waarop ze naar voren zwemmen. Wanneer we het magnetische veld toepassen, oscilleerden de navigatie in een zigzagpatroon. Complexe omgevingen, “voegt Baltaci toe.

“Onze visie is om de microrobots te gebruiken in complexe en kleine omgevingen die sterk beperkt zijn, zoals die in onze weefsels. Onze bevindingen openen deuren voor toepassingen zoals gerichte medicijnafgifte, waardoor een biocompatibele oplossing biedt voor medische behandelingen met opwindend potentieel voor toekomstige innovaties in biomedicine en daarna,” concludeert het team.