Характерная черта научно-фантастических историй на протяжении десятилетий, потенциал нанороботов варьируется от диагностики рака и доставки лекарств до восстановления тканей и многого другого. Однако основным препятствием для этих усилий является поиск дешевого способа изготовления двигательной установки для этих устройств. Новые разработки теперь могут переместить нанопловцов из научной фантастики в реальность благодаря неожиданной помощи бактерий.
Международная исследовательская группа продемонстрировала новый метод нанесения кремнезема на жгутики, спиралевидные хвосты, встречающиеся у многих бактерий, для создания наноразмерных плавающих роботов. Как сообщалось на этой неделе в APL Materials от AIP Publishing, биошаблонные нанопловцы группы вращают свои жгутики благодаря вращающимся магнитным полям и могут работать почти так же хорошо, как живые бактерии.
«Мы впервые продемонстрировали возможность использования бактериальных жгутиков в качестве шаблона для построения неорганических спиралей», - сказал Мин Джун Ким, один из авторов статьи. «Это довольно преобразующая идея, и она окажет большое влияние не только на медицину, но и на другие области».
По сравнению с более крупными формами водного движения, наносплавание зависит от понимания числа Рейнольдса, безразмерных величин, которые связывают скорость жидкости, вязкость и размер объектов в жидкости. Имея число Рейнольдса в одну миллионную часть нашего собственного, бактерии должны использовать невзаимное движение при почти полном отсутствии сил инерции. С помощью спиральных хвостов, состоящих из белка, называемого флагеллином, многие виды бактерий относительно легко ориентируются в этих микроскопических условиях.
«Если бы мы уменьшились до размеров бактерии, мы бы не смогли использовать брасс для передвижения по воде», - сказала Ким. «Если бы бактерии были размером с нас, они могли бы проплыть 100 метров примерно за две секунды».
Другие недавно разработанные методы построения этих спиральных структур используют сложные нисходящие подходы, в том числе методы, включающие самозакручивающиеся нанопояса или лазеры. Использование этого специализированного оборудования может привести к очень высоким начальным затратам на создание нанороботов.
Вместо этого команда Кима использовала восходящий подход, сначала культивируя штамм Salmonella typhimurium и удаляя жгутики. Затем они использовали щелочные растворы, чтобы придать жгутикам желаемую форму и высоту, после чего покрыли белки кремнеземом. После этого на темплаты из кремнезема наносили никель, что позволяло управлять ими с помощью магнитных полей.
«Одна из задач заключалась в том, чтобы убедиться, что у нас есть спирали с одинаковой хиральностью. Если вы вращаете левостороннюю и правостороннюю спираль одинаково, они будут двигаться в разных направлениях», - сказала Ким.
Команда опробовала своих нанороботов. При воздействии магнитного поля нанороботы не отставали от своих бактериальных собратьев и, по прогнозам, могли преодолевать 22 микрометра, что более чем в четыре раза превышает их длину, за секунду. В дополнение к этому, команда смогла направить нанопловцов на путь восьмерки.
Хотя Ким сказал, что видит потенциал непроводящих наноразмерных спиралей в области направленной терапии рака, он добавил, что благодаря работе его команды можно наносить проводящие материалы на жгутики и производить спиральные материалы для электроники и фотоники.