Wetenschappers creëren flexibele biocompatibele trilhaartjes die kunnen worden gecontroleerd door een magneet

Onderzoekers van het Chemistry Institute van de University of Campinas (IQ-UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië, hebben een sjabloonvrije techniek ontwikkeld om trilharen van verschillende groottes te fabriceren die biologische functies nabootsen en meerdere toepassingen hebben, van het sturen van vloeistoffen in microkanalen tot bijvoorbeeld materiaal in een cel laden. De zeer flexibele trilharen zijn gebaseerd op met polymeer beklede ijzeroxide-nanodeeltjes en hun beweging kan worden gecontroleerd door een magneet.

In de natuur zijn trilharen microscopisch kleine haarachtige structuren die in grote aantallen op het oppervlak van bepaalde cellen worden aangetroffen, die stromingen in de omringende vloeistof veroorzaken of, in sommige protozoa en andere kleine organismen, voor voortstuwing zorgen.

Om de langwerpige nanostructuren te fabriceren zonder een sjabloon te gebruiken, hebben Watson Loh en postdoctoraal collega Aline Grein-Iankovski gecoate deeltjes ijzeroxide (γ-Fe₂O₃, bekend als maghemiet) met een laag van een polymeer die op warmte reagerende fosfonzuurgroepen bevat en op maat gesynthetiseerd door een gespecialiseerd bedrijf. De techniek maakt gebruik van de bindingsaffiniteit van fosfonzuurgroepen aan metaaloxide-oppervlakken, waarbij de trilharen worden vervaardigd door middel van temperatuurregeling en gebruik van een magnetisch veld.

“De materialen binden niet bij kamertemperatuur of daaromtrent, en vormen een klomp zonder de stimulans van een magnetisch veld”, legt Loh uit. ‘Het is het effect van het magnetische veld dat ze de langwerpige vorm van een cilium geeft.’

Grein-Iankovski begon met stabiele deeltjes in oplossing en kwam op het idee om de trilhaartjes te verkrijgen tijdens een poging om het materiaal te aggregeren. “Ik was losse langwerpige filamenten in oplossing aan het voorbereiden en dacht erover om het richtingsveld te veranderen,” herinnert ze zich. “In plaats van ze evenwijdig aan het glasplaatje te oriënteren, plaatste ik ze in een loodrechte positie en ontdekte dat ze de neiging hadden om naar het oppervlak van het glas te migreren. Ik realiseerde me dat als ik ze dwong om aan het glas te plakken, ik een andere kon krijgen. soort materiaal dat niet los zou zitten: de beweging ervan zou geordend en samenwerkend zijn. “

Het op warmte reagerende polymeer bindt zich aan het oppervlak van de nanodeeltjes en organiseert ze in langwerpige filamenten wanneer het mengsel wordt verwarmd en blootgesteld aan een magnetisch veld. De overgang vindt plaats bij een biologisch compatibele temperatuur (rond de 37 ° C). De resulterende magnetische trilharen zijn “opmerkelijk flexibel”, voegde ze eraan toe. Door de concentratie van de nanodeeltjes te verhogen, kan hun lengte worden gevarieerd van 10 tot 100 micron. Een micron (μm) is een miljoenste van een meter.

“Het voordeel van het niet gebruiken van een sjabloon is dat je niet onderhevig bent aan de beperkingen van deze methode, zoals bijvoorbeeld de grootte”, legt Grein-Inakovski uit. “In dit geval zouden we, om zeer kleine trilhaartjes te produceren, sjablonen met microscopisch kleine gaatjes moeten maken, wat buitengewoon arbeidsintensief zou zijn. Aanpassingen aan de vachtdichtheid en ciliumgrootte zouden nieuwe sjablonen vereisen. Voor elk eindproduct moet een ander sjabloon worden gebruikt dikte. Bovendien voegt het gebruik van een sjabloon een andere fase toe aan de productie van trilharen, namelijk de fabricage van de sjabloon zelf. “

Grein-Iankovski is de hoofdauteur van een artikel dat is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C over de uitvinding, die deel uitmaakte van een thematisch project ondersteund door FAPESP, met Loh als hoofdonderzoeker.

“Bij het Thematische Project zijn vier groepen betrokken die onderzoeken hoe moleculen en deeltjes zijn georganiseerd op colloïdaal niveau, dat wil zeggen op het niveau van zeer kleine structuren. Onze aanpak is om te proberen manieren te vinden om deze moleculen te controleren zodat ze aggregeren als reactie op een externe prikkels, die aanleiding geven tot verschillende vormen met een reeks verschillende toepassingen, “zei Loh.

Omkeerbaarheid

Nadat het magnetische veld is verwijderd, blijft het materiaal minimaal 24 uur geaggregeerd. Het valt dan uiteen met een snelheid die afhangt van de temperatuur waarbij het werd bereid. “Hoe hoger de temperatuur, hoe intenser het effect en hoe langer het geaggregeerd blijft buiten het magnetische veld”, zei Grein-Iankovski.

Volgens Loh is de omkeerbaarheid van het materiaal een positief punt. “Naar onze mening is het een voordeel om het materiaal te kunnen ordenen en desorganiseren, om ‘het systeem aan en uit te schakelen’,” zei Loh. “We kunnen de temperatuur aanpassen, hoe lang het geaggregeerd blijft, ciliumlengte en vachtdichtheid. We kunnen het materiaal aanpassen voor veel verschillende soorten gebruik, het ordenen en vormgeven voor specifieke doeleinden. Ik geloof dat de mogelijke toepassingen ontelbaar zijn, van biologisch tot fysiek gebruik, inclusief materiaalwetenschappelijke toepassingen. “

Een ander groot voordeel, voegde Grein-Iankovski toe, is de mogelijkheid om het materiaal extern te manipuleren, waar het gebruikte gereedschap zich niet in het systeem bevindt. “De filamenten kunnen worden gebruikt om deeltjes in een vloeibaar microsysteem, in microkanalen, te homogeniseren en te verplaatsen door simpelweg een magneet van buitenaf te benaderen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld op deze manier vloeistof sturen.”

De trilharen kunnen ook worden gebruikt in sensoren, waarbij de deeltjes reageren op prikkels van een molecuul, of om microscopisch kleine levende organismen te voeden. “Uiteindelijk is het mogelijk om een ​​micro-organisme of cel te voeden met losse trilharen, die onder bepaalde omstandigheden het celmembraan passeren. Ze kunnen een cel binnendringen en een magnetisch veld wordt toegepast om hun beweging in de cel te manipuleren,” zei Loh.

Al meer dan tien jaar werkt Loh samen met Jean-François Berret aan de Paris Diderot University (Parijs 7, Frankrijk) aan onderzoek naar dezelfde familie van polymeren om langwerpige materialen te verkrijgen voor gebruik in het biomedische veld. “We streven naar andere samenwerkingsverbanden om andere mogelijke toepassingen van de trilhaartjes te onderzoeken”, zei hij.

De wetenschappers zijn nu van plan om een ​​chemisch additief in de nanostructuren op te nemen dat de deeltjes chemisch zal binden, waardoor trilharen worden verkregen met een hogere mechanische sterkte die langer functioneel blijven wanneer ze niet worden blootgesteld aan een magnetisch veld, als dit wenselijk is.