Ученые создали светоуправляемые рои живых микророботов для лечения ран
Ученые создали живых микророботов на основе водорослей и наночастиц, способных собираться в управляемые рои, менять форму, разделяться, объединяться и доставлять вещества непосредственно к поврежденным тканям. Новая биогибридная система управляется светом и в перспективе может лечь в основу «умных» медицинских пластырей для адресной доставки лекарств к ранам или очагам заболеваний.
В основе разработки лежит зеленая микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii. Исследователи использовали естественную чувствительность этих микроорганизмов к свету, чтобы формировать из них рои различной формы и размера в реальном времени. При помощи синего света, проходящего через специальные маски, ученые направляли водоросли в плотные структуры, напоминающие звезды, стрелки и даже контуры материков.
Красный свет запускал обратный процесс: рои распадались, а микроорганизмы снова начинали свободно плавать. По словам авторов работы, такой подход открывает новые возможности для управления коллективным поведением биогибридных микророботов, которые в будущем смогут использоваться как в медицине, так и в экологических технологиях.
В рамках исследования ученые также продемонстрировали концепцию лечения ран с использованием искусственного интеллекта. Специальная система сегментации изображений анализировала поврежденные участки кожи, определяя подозрительные области воспаления или инфекции, после чего создавала световую маску соответствующей формы. Затем микророботы собирались на медицинской ленте точно в конфигурацию раны и доставлялись непосредственно в нужную область.
В отличие от многих синтетических микророботов, которым для движения и координации требуются магнитные поля или звуковые волны, новая система использует природную реакцию водорослей на свет. Под воздействием синего света микроорганизмы начинают собираться в плотные группы и перемещаться к границе между жидкостью и воздухом, образуя устойчивые рои. Красное освещение возвращает их в свободноплавающее состояние.
Авторы исследования показали, что процесс формирования роя можно многократно повторять без потери точности. Коэффициент соответствия заданной форме превышал 0,95. Кроме того, рои могли разделяться на более мелкие группы, снова сливаться вместе и перемещаться, сохраняя при этом исходную геометрию.
Во время одного из экспериментов исследователи проецировали на емкости с водорослями маски в виде контуров Америки и Афро-Евразии. Уже через несколько минут в жидкости формировались рои, повторяющие заданные области. В другом тесте рои в форме стрелок перемещались на несколько миллиметров, не разрушая своей структуры.
Для прогнозирования поведения системы ученые разработали вероятностный алгоритм, моделирующий реакцию отдельных водорослей на изменения длины волны и интенсивности света. Модель описывает, как микроорганизмы присоединяются к кластерам или покидают их в зависимости от условий освещения.
Чтобы проверить медицинский потенциал технологии, исследователи прикрепили к водорослям наночастицы PLGA, способные переносить лекарственные вещества. Соединение происходило за счет электростатических взаимодействий. Полученных биогибридных микророботов испытали на искусственной коже с имитацией раневой жидкости.
После анализа ран система искусственного интеллекта создавала индивидуальные маски, соответствующие воспаленным участкам тканей. Под действием синего света микророботы собирались на медицинской ленте в форме поврежденной области. Когда ленту помещали над целью, красный свет вызывал быстрое высвобождение микророботов. По данным исследователей, почти 90 процентов биогибридов попадали в полость раны менее чем за две минуты.
Авторы отмечают, что пока технология подходит только для поверхностных применений, поскольку проникновение света в глубокие ткани остается серьезным ограничением. В дальнейшем команда планирует загружать микророботов полноценными терапевтическими препаратами и проводить испытания уже на живых организмах.
Исследование в журнале Science Advances.