Умные микроводоросли доставят лекарства в ткани организма
Исследователи разработали биогибридных микророботов, модифицировав микроводоросли с помощью специального магнитного покрытия. Эти «микроплавунцы» практически полностью сохранили свою скорость даже в условиях сильного ограничения, а в вязкой среде их скорость снижалась лишь незначительно. Эта технология открывает путь к многочисленным применениям, в частности, к адресной доставке лекарств.
Биогибридные микророботы вызывают все больший интерес в робототехнике благодаря своей двигательной способности, которая стала возможной благодаря интеграции биологических элементов. Они модифицируются путем встраивания различных микро- и наноматериалов, что позволяет осуществлять универсальное управление в самых разных контекстах, например, при навигации внутри биологических тканей.
Например, инженеры разработали магнитотактические бактерии, способные доставлять целевые противораковые препараты. Модифицированные сперматозоиды, управляемые магнетизмом, также были протестированы в минимально инвазивных протоколах для борьбы с бесплодием. Совсем недавно внимание исследователей привлекла одноклеточная микроводоросль Chlamydomonas reinhardtii (CR), которая отличается удивительной способностью плавать, чувствительностью к свету и биосовместимостью.
Оснащенная двумя передними жгутиками, похожими на хлысты, эта клетка может развивать скорость, в 20-25 раз превышающую ее длину в секунду. Не обладая генотоксической активностью, она особенно хорошо подходит для применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Ее автофлуоресценция в сочетании с относительно длительным временем пролиферации отличает ее от других клеток, используемых в гибридной микроробототехнике.
Однако, несмотря на то, что магнитное управление стало наиболее распространенным методом наведения, его применение для микроводорослей остается ограниченным из-за ряда факторов. В частности, неизвестно, как добавление магнитных частиц или покрытий может повлиять на их способность плавать — особенно в замкнутых средах, таких как биологические микрососуды. Кроме того, низкая эффективность биогибридизации может повлиять на управляемость роя в целом.
Команда из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте (Германия) разработала метод, который позволяет микроводорослям сохранять подвижность, несмотря на добавление магнитного покрытия. «Мы планируем использовать этих микророботов в сложных, маленьких и очень ограниченных средах, таких как ткани», — объясняют исследователи в пресс-релизе.
«Наши результаты открывают путь для таких применений, как адресная доставка лекарств, предлагая биосовместимое решение для медицинского лечения, с многообещающим потенциалом для будущих инноваций в биомедицине и за ее пределами», — добавляют они. Результаты работы опубликованы в специализированном журнале .
Почти неизменная скорость движения
Немецкие исследователи разработали метод функционализации поверхности клеток микроводорослей, внедрив в них магнитный материал, что позволяет внешне контролировать их траекторию. Для этого клетки покрыли тонким слоем хитозана — природного полимера, улучшающего адгезию, — в сочетании с магнитными наночастицами. Направление задается магнитным полем, создаваемым системой катушек и постоянных магнитов.
Биогибридизация достигла эффективности 95,9% всего за несколько минут. Чтобы оценить их плавательные способности, ученые протестировали микророботов в жидкости с низкой вязкостью, близкой к воде, а затем в среде, напоминающей слизь. Их также направляли через трехмерную сеть микроцилиндров, имитирующую узкое пространство диаметром примерно в три раза больше самих клеток.
Несмотря на дополнительную нагрузку, микророботы сохранили почти прежнюю скорость. В воде они двигались со средней скоростью 115 микрометров в секунду, что примерно в 11,5 раз превышает длину их тела за секунду — результат, значительно превосходящий предыдущие биогибридные модели на основе микроводорослей. Для сравнения, олимпийский пловец обычно развивает скорость около 1,4 длины тела в секунду.
Высокий потенциал для навигации в ограниченных пространствах
Эксперименты также показали, что роботы способны перемещаться по микроканалам в зависимости от их диаметра и приложенного магнитного управления. Без него они, как правило, застревали и возвращались к точке входа. Под действием направленного магнитного поля они продвигались даже в самых узких каналах.
«Магнитное управление помогло биогибридам выравниваться по направлению поля, демонстрируя реальный потенциал для навигации в ограниченных пространствах — как миниатюрный GPS», — объясняет Биргюль Аколпоглу, один из ведущих авторов исследования.
Однако в более вязких средах скорость движения микророботов снижалась. Микроплаватели теряли в среднем 1–2 длины тела в секунду, а их траектория становилась извилистой, с зигзагообразными движениями.
«Это показывает, как точная настройка вязкости и магнитного выравнивания может оптимизировать навигацию микророботов в сложных средах», — отмечает Саадет Фатма Балтаджи, также соавтор исследования.
Такая управляемость критически важна в биологических средах, где структура и вязкость могут сильно варьироваться. Помимо биомедицины, эти микророботы могут использоваться для экологического мониторинга, промышленной очистки или изучения фундаментальных механизмов микроскопической подвижности.