Q & amp; A: Microscopische oplossing ‘files’ oplossing inspireert nieuwe inzichten in deeltjesbeweging en medicijnafgifte

Van microscopische robots die medicijnen in het menselijk lichaam kunnen dragen en afleveren tot kleine deeltjes die microplastics kunnen detecteren en afbreken, een opkomende veld genaamd Active Matter kijkt naar de microschaal om enkele van de grootste problemen ter wereld op te lossen.

Stewart Mallory, universitair docent chemie en chemische technologie aan Penn State, leidt een onderzoeksgroep die actieve materie bestudeert, met name het collectieve gedrag van zelfrijdende microscopische deeltjes. Het doel van de groep is om theoretische en computationele hulpmiddelen te ontwikkelen om het gedrag van materie op microschaal te regelen en er uiteindelijk nieuwe materialen en apparaten mee te ontwerpen.

Het team heeft een paper gepubliceerd The Journal of Chemical Physics beschrijvend Een oplossing voor een veel voorkomend probleem bij micro-engineering, een veld gericht op het ontwerp en het creëren van kleine machines of apparaten, sommige zo klein dat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog. Mallory sprak meer in het algemeen over zijn onderzoek en het veld in de volgende Q&A.

Wat was het probleem met micro-engineering en wat was uw oplossing?

Een groot probleem met het ontwerpen van alles wat beweegt, zowel groot als klein, is hoe de beweging ervan wordt gewijzigd wanneer deze in een beperkte omgeving wordt geplaatst. In essentie willen we weten of een object op een beginpositie begint, hoe ver het in een bepaald tijdsinterval zal bewegen. We zijn geïnteresseerd in het probleem van wanneer objecten beperkt zijn tot een smal kanaal en niet in staat zijn om elkaar te passeren. Als we de tijd weten dat iets begint te bewegen en we moeten weten hoe ver het op een later tijdstip zal zijn, dan moeten we dit probleem kunnen oplossen.

Het is een heel oud probleem in de statistische fysica genaamd Single-File Dynamics, en het duikt eigenlijk op op veel plaatsen buiten chemie en natuurkunde. Denk aan wanneer je in de rij staat of in het verkeer zit, je kunt de mensen naast je niet passeren, je gaat in een enkel bestand en je vraagt ​​jezelf af hoe lang het duurt om te komen waar je heen wilt. Dat is het probleem dat we hebben gericht op het oplossen.

Wanneer we het hebben over kleine robots ter grootte van deeltjes, zullen ze worden gebruikt in beperkte omgevingen, zoals het leveren van medicatie in de bloedbaan en verschillende locaties in het lichaam. Voordat we deze systemen kunnen implementeren, moeten we eerst simulaties uitvoeren om te begrijpen hoe deze microscopische zwemmers zich in complexe omgevingen gedragen. We moeten kunnen voorspellen waar ze zullen reizen en hoe lang het zal duren om daar te komen. Als ze een enkele bestandssituatie tegenkomen, moeten we in die tijd kunnen factureren, dus we hebben een vergelijking afgeleid die u dat vertelt.

Heeft deze microscopische vooruitgang iets veranderd over hoe u de wereldschaalwereld begrijpt?

Het heeft mijn perspectief als chauffeur zeker veranderd. Rijden op een tweebaansweg is een mooi voorbeeld van dynamiek met één bestand, omdat auto’s elkaar niet kunnen passeren. Als je ooit met je auto hebt gereden en het lijkt alsof mensen zonder reden stoppen, wordt dat een “Phantom -file” genoemd. Deze vertragingen in het verkeer komen spontaan op en worden meestal veroorzaakt door kleine schommelingen in de snelheid of afstand van auto’s die in de loop van de tijd versterken als gevolg van menselijke reactietijden en vertraagde remmen of versnelling.

In ons werk op actieve deeltjes die zich in smalle kanalen bewegen, hebben we vergelijkbaar gedrag waargenomen dat ertoe leidt dat deeltjes samen clusteren en vertragen. Dus ja, dit artikel heeft me ertoe gebracht veel meer na te denken over verkeer.

Voordat u dit enkele bestandsprobleem aanpakt, publiceerde u een paper met een potentiële manier om phoretische Janus -deeltjes af te stemmen. Wat zijn ze, waarom zijn ze belangrijk en waarom wil je ze afstemmen?

Ongeveer 20 jaar geleden, een team van Penn State Wetenschappers hebben deze zelfrijdende nanodeeltjes uitgevonden dat ze phoretische Janus -deeltjes noemden. Het zijn deze kleine deeltjes, meestal micron-formaat of 100 keer kleiner dan de breedte van een menselijk haar, die zich door een vloeistof kunnen voortstuwen.

Hun oppervlak bestaat uit twee chemisch verschillende regio’s, daarom dragen ze de naam ‘Janus’, de Romeinse god van dualiteit en overgangen. Die dualiteit stelt hen in staat om chemische gradiënten om zich heen te creëren en te onderhouden op een manier die zelfoproeiing mogelijk maakt. Stel je een kleine onderzeeër voor met twee kanten, een die water naar buiten duwt en de andere die water erin trekt. Dit creëert een stroom die de onderzeeër naar voren stuwt. Dat is vergelijkbaar met hoe deze deeltjes werken. Door ze te afstemmen, kunnen we bepalen hoe en waar ze bewegen als reactie op chemische signalen.

Waarom wilde je je op deze deeltjes concentreren en wat heb je erover ontdekt?

Ten eerste was het interessant voor mij dat ze hier in Penn State werden ontdekt en ontworpen en nu worden ze over de hele wereld bestudeerd. Het was ook logisch om zich op hen te concentreren, omdat we geïnteresseerd zijn in deeltjes die in wezen kunnen zwemmen. Deze kleine microswimmers hebben een breed scala aan toepassingen. Ze kunnen aan het werk worden gezet in het lichaam, voor gevallen als gerichte medicijnafgifte, of ze kunnen problemen in het milieu opruimen, waardoor schadelijke chemicaliën, bacteriën of microplastics worden afgebroken.

Het zijn relatief nieuwe tools, dus onze groep werkt om te begrijpen hoe deze deeltjes zich gedragen, hoe ze zelf in strijd zijn, wat voor soort brandstof ze gebruiken en hoe die brandstof hun dynamiek verandert.

Over het algemeen zijn deze deeltjes ideaal voor toepassingen waar gerichte, microscopische beweging nodig is. En in tegenstelling tot passieve deeltjes die afhankelijk zijn van externe krachten om te bewegen, genereren foretische Janus -deeltjes hun eigen beweging, wat betekent dat we kunnen achterhalen hoe we ze kunnen “aandrijven” door de chemische samenstelling van de twee oppervlaktegebieden van het deeltje aan te passen.

In overeenstemming met die rijdende metafoor, wat voor soort brandstof gebruiken de deeltjes?

Afhankelijk van de samenstelling van het deeltje, zullen verschillende brandstofbronnen hun beweging aandrijven. Waterstofperoxide kan bijvoorbeeld worden gebruikt als brandstof voor deeltjes met een metaalgebied, terwijl andere enzym-gecoate deeltjes op bio gebaseerde brandstoffen zoals glucose kunnen gebruiken.

Maar er is ook interactie tussen deeltjes die hun beweging kunnen beïnvloeden, daarom richt ons werk zich op het begrijpen van deeltjesgedrag op twee niveaus: individueel en collectief. We hebben gesproken over het individuele niveau, waar we het gedrag van enkele Janus -deeltjes met behulp van geavanceerde computationele methoden willen besturen en nauwkeurig simuleren.

Op collectief niveau bestuderen we hoe gedrag verandert wanneer veel deeltjes op elkaar inwerken, waarbij de dynamiek van hun collectieve gedrag wordt onderzocht. Uiteindelijk is ons doel om deze benaderingen te integreren en zeer nauwkeurige simulaties te ontwikkelen die de interacties van veel deeltjes in complexe systemen vastleggen.

Wat zijn enkele potentiële toepassingen voor uw onderzoek?

Ik zal je een heel specifieke geven. Er zijn nanodeeltjes gemaakt van calciumcarbonaat die reageren op pH -gradiënten die worden gegenereerd door kankercellen, waardoor ze naar de kankercellen kunnen zwemmen. Met een nauwkeurig deeltjesontwerp kunnen we bouwen wat in wezen microscopische robots zijn die kunnen voelen en naar specifieke biologische signalen kunnen gaan, zoals de moleculen die door kankercellen worden uitgestoten. Op een bepaald moment in de niet al te verre toekomst zouden we die deeltjes kunnen gebruiken om een ​​lading van medicatie te dragen en ons te richten op schadelijke cellen zoals kanker.

Dit concept kan zich uitstrekken tot andere toepassingen, zoals het gebruik van deeltjes om microplastics te detecteren en te verzamelen, wat een potentiële oplossing biedt voor het opruimen van het milieu.

U studeert ook materiaalonderzoek, dus hoe is uw onderzoek van toepassing op dat gebied?

Dit heeft betrekking op het collectieve gedragsaspect van ons werk. De nanodeeltjes zijn in staat tot zelfassemblage, wat de manier is waarop de natuur structuren bouwt, kleinere delen die grotere en grotere onderdelen maken.

Ons werk toont aan dat zelfrijdende deeltjes dit proces kunnen verbeteren, waardoor zelfassemblage een effectiever hulpmiddel is voor het bouwen op microschaal. Het idee is dat u bouwstenen kunt ontwerpen, ze in een oplossing die zelfrijdende deeltjes bevat, kunt schorten, en idealiter zullen ze spontaan de gewenste structuur vormen.

Waar werkt uw lab aan? Wat zijn uw volgende stappen?

We ontwikkelen theorieën en computationele modi om beter te begrijpen hoe deze deeltjes zich in verschillende omgevingen gedragen, wat nodig is als we microschaalapparaten willen ontwikkelen voor toepassingen zoals chemische en medicijnafgifte.

Het werk dat we doen met Janus-deeltjes draagt ​​bij aan een breder studiegebied gericht op systemen die bestaan ​​uit zelfrijdende deeltjes en hun collectieve gedrag, dus de vooruitgang in ontdekkingen die we in onze groep doen, zullen gevolgen hebben over het hele gebied van actieve materie. Elke stap die we zetten is een stap voorwaarts in het begrijpen en manipuleren van materie op de microschaal.