Le nanoparticelle semoventi potrebbero potenzialmente far avanzare la somministrazione di farmaci e i sistemi lab-on-a-chip, ma sono inclini a diventare disonesti con movimenti casuali e senza direzione. Ora, un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un approccio per tenere a freno le particelle sintetiche.
Guidato da Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Professore di ingegneria biomedica, chimica e matematica alla Penn State, il team ha ridisegnato le nanoparticelle a forma di elica per controllare meglio i loro movimenti e aumentare la loro funzionalità. Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Small .
A causa delle difficoltà di fabbricazione, la forma delle nanoparticelle è stata precedentemente limitata a bastoncini e ciambelle, secondo Ashlee McGovern, studentessa di dottorato in chimica alla Penn State e prima autrice dell'articolo. Con una macchina nanoscribe in grado di stampare in 3D su nanoscala presso il Materials Research Institute della Penn State, McGovern ha sperimentato l’ottimizzazione della forma delle nanoparticelle. Ha ridisegnato la forma delle particelle trasformandole in un'elica, che può ruotare in modo efficiente se attivata da una reazione chimica o da un campo magnetico.
La forma dell'elica sfrutta la chiralità, simile a una scala a chiocciola o a chiocciola, dove la faccia superiore è rispecchiata dalla faccia inferiore.
"La forma predetermina come si muoverà una particella", ha detto McGovern. "La chiralità, o manualità, come caratteristica di progettazione non è stata utilizzata sufficientemente nella ricerca sulle nanoparticelle ed è un modo per far muovere le particelle in modi sempre più complessi."
La forma chirale consente alle particelle di muoversi in una direzione prescritta e, a seconda dell'inclinazione delle pale, ruotare in senso orario o antiorario sul posto, alimentate da una reazione chimica tra i metalli nelle nanoparticelle e il perossido di idrogeno.
Dopo aver sperimentato diversi numeri e angoli di alette, nonché diversi spessori, i ricercatori hanno scoperto che l'utilizzo di quattro o più alette con un'inclinazione di 20 gradi e uno spessore di 3,3 micron consentiva la massima stabilità. Con tre o meno pinne, le eliche mostrano movimenti incontrollati.
Il maggiore controllo ha consentito ai ricercatori di manipolare le particelle per catturare e trasportare particelle di carico polimerico.
"Utilizzando un campo magnetico, possiamo guidare le microeliche per scovare e raccogliere le particelle del carico", ha affermato McGovern. "Le nanoparticelle a forma di bastoncino e ciambella del nostro laboratorio raccoglierebbero accidentalmente il carico, ma non in modo controllato."
Per controllare ulteriormente i movimenti delle particelle, i ricercatori hanno manipolato la direzione di rotazione delle microeliche.
"Con i flussi incorporati creati dalle particelle, possiamo controllare le interazioni particella-particella tra le due eliche", ha affermato McGovern. "Il cambio del senso di rotazione da antiorario a orario e viceversa consente a due eliche di attrarsi o respingersi a vicenda."
Aronson, che dirige l'Active Biomaterials Lab in cui lavora McGovern, ha sottolineato la portata futura di questa ricerca.
"Utilizzando risposte meccaniche, magnetiche e chimiche su misura, possiamo esercitare un controllo più che mai su queste nanoparticelle", ha affermato Aronson. "In futuro, potremo sfruttare questo controllo per applicare questa tecnologia alla progettazione di concetti per dispositivi su microscala o microrobotica."
Ulteriori informazioni: Ashlee D. McGovern et al, Microeliche chirali multifunzionali alimentate chimicamente per il trasporto e la manipolazione di merci, Piccole (2023). DOI:10.1002/piccolo.202304773
Informazioni sul giornale: Piccolo
Fornito dalla Pennsylvania State University
