I batteri e altri microrganismi del nuoto si sono evoluti per prosperare in ambienti difficili, e i ricercatori lottano per imitare le loro abilità uniche per le tecnologie biomediche, ma le sfide di fabbricazione hanno creato un collo di bottiglia nella produzione. Microscopico, stampato in 3D, tori—ciambelle—rivestite di nichel e platino possono colmare il divario tra nuotatori biologici e sintetici, secondo un team internazionale di ricercatori.

Questi micro nuotatori imitano il comportamento biologico e potrebbero un giorno fornire farmaci mirati o mescolare campioni in lab-on-a-chip, un dispositivo in miniatura che imita un laboratorio completo su un microchip.

"Queste ciambelle potrebbero eventualmente avere applicazioni mediche come materiali attivi, " disse Igor Aronson, Huck Chair Professore di Ingegneria Biomedica, Chimica e Matematica, Penn State.

I materiali attivi sono quelli che si muovono da soli come batteri o micro nuotatori artificiali.

"È davvero difficile combinare le cose quando si utilizza un lab-on-a-chip, " ha detto Remmi Danae Baker, dottorando in scienze dei materiali e ingegneria, Penn State. "Questi microtori, perché sono materiali attivi e si muovono da soli, potrebbe essere utilizzato per favorire la micromiscelazione."

I ricercatori producono queste ciambelle utilizzando una macchina Nanoscribe Photonic Professional GT che consente la creazione di 3, Ciambelle da 7 o 14 micrometri con caratteristiche stampate fino a 200 nanometri. La seta di ragno ha un diametro da 3 a 10 micrometri. Il Nanoscribe utilizza una tecnologia laser precisa e fotoresist appositamente progettati per raggiungere questo obiettivo.

"Creiamo due diversi design, orizzontale e verticale, "disse Baker. "I tori orizzontali sono stampati piatti sul vetrino di supporto, smaltato con nichel e poi platino. I tori verticali sono stampati in 3D in posizione verticale e vengono quindi immersi in nichel e platino".

Le ciambelle orizzontali sono perfettamente circolari e sembrano ciambelle ghiacciate, con la glassa più spessa sopra che sui lati. La versione verticale ha un'estremità piatta in modo che stiano per immersione e siano solo a metà.

Il nichel serve a due scopi. Il platino non si attacca alle micro-ciambelle di plastica, ma il nichel lo farà e il platino si attaccherà al nichel. Anche, il nichel è magnetico, così i ricercatori possono manipolare le ciambelle con campi magnetici.

"I reticoli degli strati di nichel e platino combaciano abbastanza bene, " disse Baker.

I ricercatori vogliono che le ciambelle si comportino come organismi viventi:nuotino nell'acqua e rispondano ai segnali. Gli esseri viventi hanno bisogno di cibo o carburante per muoversi. Per l'esperimento, i ricercatori hanno posto i microtori in una soluzione di perossido di idrogeno, che era il carburante. Il platino decompone il perossido di idrogeno e alimenta la propulsione delle ciambelle.

"Originariamente, si pensava che un toro orizzontale si sollevasse dal substrato e si librasse, ma questo non succede, " disse Aronson. "Piuttosto che alzarsi in piedi, cominciano a dare la mancia, raggiungono un angolo di 15 gradi e poi nuotano come una moto d'acqua."

Mentre i microtori orizzontali si muovono in linea retta, Aronson nota che un toro verticale non si muoverà nella direzione del campo magnetico, ma all'aumentare del campo magnetico, il toro crea anelli piatti sempre più grandi fino a quando il movimento diventa una linea retta.

I ricercatori riferiscono oggi (30 ottobre) in Comunicazioni sulla natura che "I tori manipolavano e trasportavano anche altri nuotatori artificiali, nanotubi bimetallici, così come particelle colloidali passive." Le aste bimetalliche sono simili ai batteri e questo è il primo passo per manipolare la materia biologica come cellule e batteri.

Le due modalità delle micro ciambelle si comportano in modo diverso durante il trasporto di particelle o materiale attivo. tori orizzontali, quelli ghiacciati come ciambelle, trasporta attivamente nanotubi bimetallici.

I ricercatori hanno scoperto una serie di nuovi comportamenti per questi micro nuotatori alimentati chimicamente stampati in 3D. Entrambi i loro approcci sperimentali e modellistici sono applicabili ad altri micro nuotatori alimentati da metodi alternativi al perossido di idrogeno. Per i sistemi biologici, i micro nuotatori potrebbero utilizzare sistemi di propulsione biocompatibili come gli enzimi o la luce.

I ricercatori osservano che "questi biocompatibili, I micro nuotatori stampati in 3D sarebbero quindi in grado di interfacciare e manipolare la materia biologica attiva che porta allo sviluppo del trasporto e della terapia cellulare intelligenti".