Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Дьюка разработали способ сборки и предварительного программирования крошечных структур из микроскопических кубиков - «микробот-оригами» - для изменения своей формы под действием магнитного поля, а затем с помощью магнитную энергию из окружающей их среды, выполнять множество задач, включая захват и транспортировку отдельных клеток.
Выводы, опубликованные сегодня в журнале Science Advances, открывают путь для создания микроботов и сборок микро-оригами, которые могут служить инструментами для характеристики клеток, жидкостными микросмесителями и компонентами искусственных мышц и мягких биомиметических устройств.
«Это исследование посвящено актуальной теме - активным частицам, которые берут энергию из окружающей среды и преобразуют ее в направленное движение», - сказал Орлин Велев, профессор химической и биомолекулярной инженерии INVISTA в штате Северная Каролина и соавтор. автор статьи.
Чтобы создать оригами-микробота, исследователи начали с микроскопических полимерных кубиков, одна сторона которых металлическая, что позволяет металлической стороне действовать как магнит. В зависимости от их расположения кубики можно собирать разными способами.
«Поскольку они намагничены и взаимодействуют друг с другом, кубы хранят энергию», - сказал Велев. «Крошечные частицы в форме кубов могут соединяться друг с другом в последовательности, когда они смотрят в разные стороны, образуя, например, кластеры, которые ведут себя как крошечный Pac-Man: вы можете открыть их, применив магнитное поле, а затем позволить им закрыться. выключая магнитное поле, они закрываются, потому что высвобождают накопленную магнитную энергию. Таким образом, вы впрыскиваете внутреннюю энергию каждый раз, когда открываете микрокластеры, и высвобождаете ее, когда они закрываются."
Затем исследователи дали крошечному Pac-Man конкретную задачу: захватить живую клетку, в данном случае дрожжевую клетку. Микробот принял квадратную форму и, открываясь и закрываясь, «плыл», чтобы окружить дрожжевую клетку. Затем исследователи выключили магнитное поле, которое контролировало складывание микробота, чтобы захватить дрожжевую клетку, переместили ее и, наконец, выпустили.
«Мы показали здесь прототип самоскладывающегося микробота, - сказал Велев, - который можно использовать в качестве микроинструмента для исследования реакции определенных типов клеток, например, раковых».
Ранее сообщавшиеся структуры микророботов были ограничены выполнением простых задач, таких как толкание и проникновение в объекты из-за их твердых тел. Возможность удаленного управления динамической реконфигурацией нашего микробота создает новый «набор инструментов» для манипулирования микрообъектами. и взаимодействие с его микросредой», - сказал Кухи Хан, доктор философии. D. кандидат в штате Северная Каролина и первый автор статьи.
«Когда микробот складывается, он может сжимать жидкости или твердые тела, и вы можете использовать его в качестве инструмента для измерения объемных механических свойств, таких как жесткость», - сказал Вятт Шилдс, исследователь с докторской степенью в Университете Дьюка и Университете штата Северная Каролина, который соавтор статьи. «В некотором смысле это новый метрологический инструмент для измерения эластичности на микроскопическом уровне».
Авторы говорят, что дизайн микробот-оригами имитирует природу. «Последовательность кубов программирует формы складывающихся микроботов. Точно так же работают белки», - сказал Шилдс. «Последовательность аминокислот в белке определяет, как он складывается, точно так же, как последовательность кубов в нашем микроботе определяет, как он складывается».
Велев говорит, что будущая работа будет сосредоточена на том, чтобы заставить частицы двигаться сами по себе, а не управлять ими с помощью магнитных полей. Хан работает над созданием ботов, способных самостоятельно двигаться в сложных жидкостях с неньютоновским поведением. Шилдс изучает, как можно использовать динамику изменения формы микроботов для изучения микроструктуры окружающих макромолекул.