Una nanoparticella conica (di colore oro) in acqua. La particella viene esposta a un'onda ultrasonica (le frecce verdi indicano la direzione di propagazione dell'onda). Poiché gli ultrasuoni influiscono sulla particella, si crea un campo di flusso nei suoi dintorni (le frecce nere sullo sfondo mostrano la direzione e la forza del flusso in varie posizioni). Il campo di flusso provoca la propulsione della particella nella direzione della freccia rossa. Credito:Münster University – Gruppo di lavoro Wittkowski.
Nanomacchine microscopicamente minuscole che si muovono come sottomarini con la propria propulsione, ad esempio nel corpo umano, dove trasportano agenti attivi e li rilasciano su un bersaglio:quella che suona come fantascienza, negli ultimi 20 anni, è diventata un fenomeno in crescita sempre più rapida campo di ricerca. Tuttavia, la maggior parte delle particelle sviluppate finora funzionano solo in laboratorio. La propulsione, ad esempio, è un ostacolo. Alcune particelle devono essere alimentate con energia sotto forma di luce, altre utilizzano propulsori chimici che rilasciano sostanze tossiche. Nessuno di questi può essere considerato per qualsiasi applicazione nel corpo. Una soluzione al problema potrebbe essere costituita dalle particelle a propulsione acustica. Johannes Voß e il Prof. Raphael Wittkowski dell'Istituto di Fisica Teorica e del Center for Soft Nanoscience dell'Università di Münster (Germania) hanno ora trovato risposte a domande centrali che in precedenza avevano ostacolato l'applicazione della propulsione acustica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano .
Le onde ultrasoniche viaggianti sono adatte per la propulsione
Gli ultrasuoni vengono utilizzati nelle nanomacchine a propulsione acustica in quanto sono abbastanza sicuri per le applicazioni nel corpo. L'autore principale Johannes Voß riassume la ricerca condotta fino ad ora come segue:"Ci sono molte pubblicazioni che descrivono esperimenti. Tuttavia, le particelle in questi esperimenti sono state quasi sempre esposte a un'onda ultrasonica stazionaria. Ciò rende gli esperimenti considerevolmente più semplici, ma allo stesso tempo rende i risultati meno significativi per quanto riguarda le possibili applicazioni, perché in tal caso verrebbero utilizzate onde ultrasoniche viaggianti". Ciò è dovuto al fatto che le onde stazionarie vengono prodotte quando le onde che viaggiano in direzioni opposte si sovrappongono.
Ciò che i ricercatori non hanno nemmeno preso in considerazione in precedenza è che nelle applicazioni le particelle possono muoversi in qualsiasi direzione. Pertanto, hanno lasciato da parte la questione se la propulsione dipenda dall'orientamento delle particelle. Invece, hanno osservato solo le particelle allineate perpendicolarmente all'onda ultrasonica. Ora, per la prima volta, il team di ricercatori di Münster ha studiato gli effetti dell'orientamento utilizzando elaborate simulazioni al computer.
Sono giunti alla conclusione che la propulsione delle nanoparticelle dipende dal loro orientamento. Allo stesso tempo, il meccanismo di propulsione acustica nelle onde ultrasoniche viaggianti funziona così bene per tutti gli orientamenti delle particelle, ad es. non solo esattamente perpendicolarmente all'onda ultrasonica, che queste particelle possono davvero essere utilizzate per applicazioni biomediche. Un altro aspetto esaminato dai fisici di Münster era la propulsione che le particelle esibivano quando venivano esposte a ultrasuoni provenienti da tutte le direzioni (cioè "ultrasuoni isotropi").
Una base per il passo verso l'applicazione
"Our results showed how the particles will behave in applications and that the propulsion has the right properties for the particles to actually be used in these applications," Johannes Voß concludes. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."
The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."
By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." + Esplora ulteriormente
