Гидрогелевые реснички установили новый стандарт в микророботах

Микроскопические искусственные реснички повторяют движения живых аналогов и успешно функционируют в сложных жидких средах. Технология сочетает 3D-печать и низковольтное управление и подходит для применения в биомедицине.

Иллюстрация принципа работы микромасштабных гидрогелевых ресничек. а. При воздействии внешнего электрического поля вода внутри мягкого гидрогеля перемещается по его внутренней сети, вызывая изгиб материала. Используя этот механизм, исследователи могут создавать большие массивы крошечных, похожих на волоски структур (микроресничек). б. Массивы микроресничек могут быть созданы на гибкой поверхности, в которую интегрированы микроскопические электроды, что позволяет осуществлять точное электрическое управление их движением

Источник: Институт интеллектуальных систем им. Макса Планка

Реснички — микроскопические структуры длиной в несколько микрометров — непрерывно двигают жидкости внутри нашего тела. В головном мозге человека движение ресничек имеет решающее значение для созревания нейронов, в легких оно необходимо для очищения дыхательных путей; а в репродуктивной системе реснички транспортируют гаметы. И наоборот, повреждение или нарушение функции ресничек может привести к нарушениям нейроразвития, дыхательной дисфункции, бесплодию или порокам развития эмбриона.

Исследователи из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка в Штутгарте совместно с коллегами из Гонконгского университета науки и технологий и Университета Коч в Стамбуле научились управлять искусственными аналогами таких ресничек. Они создали микроструктуры из гидрогеля, которые начинают изгибаться и вращаться под действием слабого электрического поля. Работа опубликована в журнале Nature.

Микрореснички из гидрогеля настолько малы, что их невозможно увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. Это изображение было получено с помощью усовершенствованного сканирующего электронного микроскопа, позволяющего детально рассмотреть тонкую структуру

Источник: Институт интеллектуальных систем им. Макса Планка

Каждая искусственная ресничка имеет длину около 18 микрометров и диаметр примерно 2 микрометра — почти как у природной. Сотни таких элементов размещены на гибкой подложке со встроенными электродами. Вокруг каждой реснички расположены четыре электрода, создающие локальное электрическое поле. Под его действием ионы внутри гидрогеля смещаются, и материал начинает двигаться.

Тип движения зависит от того, как подается напряжение. Если активировать электроды с одной стороны, ресничка изгибается в нужном направлении. При последовательном включении всех четырех она плавно вращается в трехмерном пространстве. Для этого достаточно напряжения всего 1,5 вольта — ниже уровня, при котором в воде начинается электролиз, что делает систему безопасной для биологических сред.

Добиться быстрого и устойчивого отклика помог способ изготовления — реснички напечатали с помощью двухфотонной полимеризации, что сформировало внутри гидрогеля сеть нанометровых пор. По ним ионы и жидкость перемещаются быстрее, усиливая движение. В испытаниях конструкции выдержали более 330 тысяч циклов без заметного износа и стабильно работали в сыворотке крови человека и плазме мышей.

Впервые у исследователей появилась управляемая модель ресничек, с которой можно экспериментировать. Такая платформа позволяет изучать коллективную работу этих структур, тестировать перенос и смешивание жидкостей и разрабатывать мягкие микроскопические устройства — от медицинских систем поддержки до новых типов микророботов.

Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новое светящееся вещество поможет узнать тайны бактерий.