Nanorobots en andere mini-voertuigen kunnen op een dag belangrijke diensten in de geneeskunde verlenen, bijvoorbeeld door op afstand bestuurde operaties uit te voeren of farmaceutische middelen naar een gewenste plaats in het lichaam te transporteren. Echter, tot op heden was het moeilijk om dergelijke micro- en nanozwemmers nauwkeurig te sturen door biologische vloeistoffen zoals bloed, gewrichtsvloeistof of de binnenkant van de oogbol. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart presenteren nu twee nieuwe benaderingen voor het bouwen van voortstuwingssystemen voor kleine drijvende lichamen. In het geval van één motor, de voortstuwing wordt opgewekt door bellen die door ultrageluid in trilling worden gebracht. Met de ander, een stroom veroorzaakt door het product van een enzymatische reactie stuwt een nanozwemmer voort.

Straalvliegtuigen hebben het voortouw genomen. Ze verbranden brandstof, de verbrandingsproducten in de ene richting uitstoten en daardoor in de tegenovergestelde richting bewegen. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart doen het op een vergelijkbare manier - zij het op veel kleinere schaal. Hun onderwater-nanorobot is een enkelwandige nanobuis gemaakt van siliciumdioxide, slechts 220 nanometer (miljardste van een meter) in diameter. Een deeltje van die aard zou normaal gesproken niet in staat zijn om zichzelf voort te stuwen in vloeistoffen. De wetenschappers bedekten daarom ofwel alleen het binnenste of het binnen- en het buitenoppervlak of van de nanobuis met het enzym urease dat ureum afbreekt in ammoniak en kooldioxide.

Als een op deze manier bereid nanobuisje in een vloeistof wordt gebracht die ureum bevat, dit ureum wordt afgebroken aan de met urease gecoate binnenwand. De reactieproducten genereren een stroom in de vloeistof die ze als een straal uit de buis stuwt. Omdat zo'n nanozwemmer aan het ene uiteinde dunner is dan aan het andere, of het ureum niet homogeen over het oppervlak wordt verdeeld, dit resulteert in een stuwkracht, zodat de micro-zwemmer voortstuwing ervaart in de tegenovergestelde richting - zoals in een straalvliegtuig. De nanojets bereikten snelheden van 10 micrometer per seconde, dat wil zeggen bijna vier centimeter per uur.

De kleinste straalmotor ter wereld

toegegeven, het coaten van een nanorobot om een ​​chemische aandrijving te bereiken is zeker niet nieuw. Echter, de buis die nu wordt gepresenteerd, met zijn 220 nanometer opening, vertegenwoordigt het kleinste straalvoortstuwingssysteem dat tot nu toe ter wereld is gebouwd. "Ons vorige record, die nog steeds in het Guinness Book of Records staat, was ongeveer drie keer groter", legt Samual Sanchez uit, die de Smart NanoBioDevices Group leidt aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart en tegelijkertijd een professoraat bekleedt aan het Instituut voor Bio-engineering van Catalonië in Barcelona.

En er is nog een nieuw aspect van de nanojet dat wetenschappers van het Harbin Institute of Technology in Shenzhen in China ook hebben helpen ontwikkelen:voor de eerste keer, alle gebruikte materialen en reactiepartners zijn volledig biocompatibel. "Vroegere chemische aandrijvingen van dit type waren meestal gebaseerd op een metallische katalysator aan het oppervlak waarvan waterstofperoxide werd afgebroken tot waterstof- en zuurstofmoleculen", zegt Sánchez. Daarbij ontstaan ​​zuurstofbellen, die een stuwkracht in de tegenovergestelde richting creëert. Zowel het waterstofperoxide als de gasbellen zouden nadelen hebben bij gebruik in het menselijk lichaam. Maar dit is niet het geval bij de urease-gecoate versie met zijn in water oplosbare – en dus bellenvrije – reactieproducten. "Urease komt sowieso voor in het menselijk organisme", legt Sánchez uit.

De onderzoekers willen de biocompatibiliteit nu nauwkeuriger testen – en onderzoeken daarbij of het ze lukt om dergelijke microbuisjes in individuele cellen te implanteren. "Dat zou nodig zijn, natuurlijk, om medicijnmoleculen naar hun bestemming te brengen, bijvoorbeeld", zegt Sánchez.

Oscillerende bubbels zorgen voor stuwkracht

Terwijl gasbellen nog steeds ongewenst waren in de gespecificeerde benadering, ze vormen het middelpunt van een geheel nieuw aandrijfprincipe voor minirobo's, welke collega's van het Institute in the Micro, Nano en Molecular Systems Group onder leiding van Peer Fischer stellen voor. Echter, hier borrelen de gasbellen niet vrij door de vloeistof en kunnen ze het organisme dus niet beschadigen. Liever, de onderzoekers omsluiten de microbellen in kleine cilindrische kamers langs een plastic strip. Om de aandrijving te leveren, daarom, de gasbellen zetten uit en krimpen cyclisch omdat ultrageluid ze doet oscilleren. Omdat de pulserende bellen zich in kamers bevinden die aan één kant open zijn, ze breiden alleen uit door deze opening. In het proces, ze oefenen een kracht uit op de tegenoverliggende wand van de kamer die de plastic strip voortstuwt. Om een ​​noemenswaardige voortstuwing te bereiken, de onderzoekers rangschikten verschillende kamers met luchtbellen parallel op hun polymeerstrook.

Een opmerkelijk aspect:de geluidsgolffrequentie die nodig is om ze te laten oscilleren, hangt af van de grootte van de kleine belletjes. Hoe groter de bubbels, hoe kleiner de corresponderende resonantiefrequentie. De onderzoekers gebruikten deze verbinding om hun zwemmer afwisselend met de klok mee en tegen de klok in te laten draaien. Om dit te doen, ze plaatsten bellen van verschillende grootte op de twee helften van de vier, lange kubusvormige vlakken in de lengte verdeeld. Twee verschillende geluidsfrequenties werden vervolgens in een vloeistof gebruikt om elk alle bellen van één grootte te laten oscilleren. Op deze manier, de wetenschappers genereerden uitsluitend stoten op de helft van het kubusvormige vlak, waardoor het om zijn eigen as draaide. Deze kleine akoestisch aangedreven rotatiemotor met longitudinale oppervlakken van elk vijf vierkante millimeter groot bereikte daarbij tot duizend rotaties per minuut.

Een mogelijkheid om mini-zwemmers te sturen

"De variatie in de grootte van de bubbels stelt een mini-zwemmer daardoor in staat om bewust in verschillende richtingen te sturen", zegt Tian Qiu, die ook onderzoek doet aan het Max Planck Instituut in Stuttgart en een belangrijke rol speelde in het onderzoek. Volgens Qiu, een ander voordeel van het nieuwe voortstuwingsprincipe is dat zelfs zwemmers met een ingewikkelde geometrische structuur kunnen worden gecoat met de flinterdunne strips samen met kamers voor de bellen. Hij legt verder uit dat het gebruik van ultrageluid ook geschikt is voor optisch ondoordringbare media zoals bloed. Lichtgolven, die ook een potentieel controle-instrument zijn voor micro-drives, kan in dit geval niets bereiken. De onderzoekers willen nu testen in echte biologische media om na te gaan of het nieuwe aandrijfprincipe ook in de praktijk zijn voordelen kan benutten.