Onderzoekers pionieren biocompatibele all-water ‘Aquabots’

Zachte robots zijn de afgelopen jaren fenomenaal vooruitgegaan. Zachte robots op microschaal die zijn aangewezen om moeilijke paden te bewandelen en biologische functies in het menselijk lichaam uit te voeren, kunnen diepgaande potentiële biomedische toepassingen hebben, zoals chirurgie, protheses en pijnverlichting.

Momenteel is de intrinsieke functionalisering van bio-geïnspireerde zachte robots gebaseerd op elastomere materialen zoals silicagel, wat de introductie van volumineuze componenten en uitgebreide verwerkingsstappen vereist. Ze hebben grote beperkingen in hun mate van vervormbaarheid in vergelijking met hun natuurlijke biologische tegenhangers.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Anderson HC Shum van de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Hong Kong (HKU) en professor Thomas P. Russell van het Lawrence Berkeley National Laboratory heeft een volledig waterrobotsysteem uitgevonden dat deze beperkingen oplost door revolutionaire wetenschappelijke voorschotten.

Ze creëerden ‘Aquabots’, een nieuwe klasse ultrazachte vloeistofrobots die voornamelijk uit water bestaan. De vasculaire structuren op microschaal worden geprint op volledig vloeibare 3D-printtechnologie met een grensvlakassemblage van een waterig tweefasensysteem, dat helpt bij het scheiden van de twee verschillende polymeren op waterbasis.

Het onderzoek is nu gepubliceerd in ACS Nano. De Aquabot met zijn structuren met meerdere compartimenten op micrometerschaal wordt gekenmerkt als de aanvullende omslag van het tijdschrift.

“Ons idee was om de materialen zo samen te stellen dat de interface en structuur de vorm van de vloeistoffen vastlegden. De vormen worden gedicteerd door externe krachten zoals magnetische krachten en vormen willekeurige vormen, of worden gemaakt door het gebruik van volledig vloeibare 3D-printen”, gaven professor Shum en Russell aan.

Hoewel de vormen kunnen worden geproduceerd met behulp van volledig vloeibare 3D-printing, meten de bouwstenen met meerdere compartimenten in Aquabots op een micrometerschaal en hebben ze geen printresolutie. Ze zijn zelf-geassembleerd door waterige fasescheiding, waarbij een enkel homogeen mengsel twee vloeibare fasen oplevert. Dit helpt bij het produceren van de bouwstenen in Aquabots die het obstakel voor vervormbaarheid overwinnen.

Het membraan van deze structuren is gemakkelijk gefunctionaliseerd, wat essentieel is voor verschillende farmaceutische toepassingen.

“De buitenkant van de gecompartimenteerde membranen kan gemakkelijk worden gefunctionaliseerd, bijvoorbeeld door enzymen, katalytische nanodeeltjes en magnetische nanodeeltjes te binden die een gevoelige magnetische respons geven”, zei professor Russell.

De functionalisatie vergemakkelijkt efficiënte katalyse en cascadereacties. In de studie toonde het onderzoeksteam aan dat Aquabots gefunctionaliseerd met glucose-oxidase-enzym cascade-reacties kunnen uitvoeren.

Doel fotodegradatie van kleurstoffen in smal glazen capillair. Credit: ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c00619

Aquabots zijn soepel in hun bewegingen. Ze hebben een zachte tactiele aard en het vermogen om actieve ingrediënten (bijv. medicijnen, katalysatoren, enzymen, enz.) en manipulatiecomponenten (bijv. magnetische nanodeeltjes) in de structuur en op het membraan te laden. Ze kunnen gemakkelijk medicijnen inkapselen door hun bio-geïnspireerde compartimentele structuren en navigeren door nauwe en kronkelige ruimtes voor medicijnafgifte in het menselijk lichaam.

Aquaboats kunnen ook van vorm veranderen om in verschillende afmetingen te passen en objecten te grijpen. De vervormbaarheid was meestal een uitdaging voor wetenschappers en medische experts, omdat de robots soms vast kwamen te zitten in het midden voordat ze de doellocaties bereikten tijdens de medicijnafgifte.

“De robots zijn volledig waterig, met water binnen en buiten hen. Ze kunnen gemakkelijk worden gefunctionaliseerd om biocompatibel te zijn, dus het is niet moeilijk om hun enorme bio-toepassingen voor te stellen, dat wil zeggen, in het lichaam, waar dergelijke constructies van nut zouden kunnen zijn,” zei professor Russell.

“Aquabots creëren daarom nieuwe mogelijkheden om bio-geïnspireerde materialen en kenmerken te repliceren, zoals dynamische permeabiliteit en compartimentering”, voegde professor Russell eraan toe.

De onderzoekers zijn optimistisch dat Aquabots, waarvan is aangetoond dat ze biocompatibel, multicompartimenteel en multifunctioneel zijn, de weg kunnen effenen voor de vooruitgang van uitgebreide real-world biomedische toepassingen, waaronder medische micromanipulatie, gerichte vrachtaflevering, weefselmanipulatie en biomimetica.

Het onderzoeksteam is verder op zoek naar biocompatibele en biologisch afbreekbare hydrogels in de assemblage van Aquabots. Volledig omkeerbare vormveranderingen kunnen mogelijk worden bereikt gezien de adaptieve aard van hydrogels.

“In ons volgende werk zou het de moeite waard zijn om te kijken naar andere eigenschappen en functies die mogelijk worden gemaakt door het Aquabot-platform, samen met de mechanische manipulatie en chemische reacties die in het artikel worden aangetoond”, zei professor Shum.

“We proberen bijvoorbeeld Aquabots elektrisch geleidend te maken door in water oplosbare geleidende polymeren te integreren. Het zou interessant zijn om dit te combineren met andere microfluïdische en robotbenaderingen voor nieuwe toepassingen, zoals het bouwen van biologisch elektrische circuits en logisch ion-selectieve kanalen, ” hij voegde toe.