Bacteriën en andere zwemmende micro-organismen zijn geëvolueerd om te gedijen in uitdagende omgevingen, en onderzoekers worstelen om hun unieke vaardigheden voor biomedische technologieën na te bootsen, maar fabricage-uitdagingen zorgden voor een fabricageknelpunt. Microscopisch, 3D-geprint, tori-donuts-gecoat met nikkel en platina kunnen de kloof tussen biologische en synthetische zwemmers overbruggen, aldus een internationaal team van onderzoekers.

Deze microzwemmers bootsen biologisch gedrag na en kunnen op een dag gerichte medicijnen afleveren of monsters roeren in labs-on-a-chip - een miniatuurapparaat dat een volledig laboratorium op een microchip nabootst.

"Deze donuts kunnen uiteindelijk medische toepassingen hebben als actieve materialen, " zei Igor Aronson, Huck Leerstoel Hoogleraar Biomedische Technologie, Scheikunde en Wiskunde, Penn State.

Actieve materialen zijn materialen die uit zichzelf bewegen, zoals bacteriën of kunstmatige microzwemmers.

"Het is heel moeilijk om dingen te mengen als je een lab-on-a-chip gebruikt, " zei Remmi Danae Baker, promovendus in materiaalkunde en techniek, Penn State. "Deze microtori, omdat het actieve materialen zijn en uit zichzelf bewegen, kan worden gebruikt om te helpen bij micromixing."

De onderzoekers vervaardigen deze donuts met behulp van een Nanoscribe Photonic Professional GT-machine waarmee de 3, Donuts van 7 of 14 micrometer met geprinte kenmerken tot 200 nanometer. Spinzijde heeft een diameter van 3 tot 10 micrometer. Hiervoor maakt de Nanoscribe gebruik van nauwkeurige lasertechnologie en speciaal ontworpen fotoresists.

"We maken twee verschillende ontwerpen, horizontaal en verticaal, "zei Baker. "Horizontale tori worden plat op de ondersteunende glasplaat gedrukt, geglazuurd met nikkel en vervolgens platina. Verticale tori worden rechtop in 3D geprint en vervolgens in nikkel en platina gedompeld."

De horizontale donuts zijn perfect rond en zien eruit als ijsdonuts, met het glazuur aan de bovenkant dikker dan aan de zijkanten. De verticale versie heeft één plat uiteinde zodat ze staan ​​voor dippen en slechts halverwege gedompeld worden.

Het nikkel heeft twee doelen. Platina plakt niet aan de plastic microdonuts, maar nikkel zal en platina zal aan nikkel blijven kleven. Ook, nikkel is magnetisch, zodat de onderzoekers de donuts kunnen manipuleren met magnetische velden.

"De roosters van de nikkel- en platinalagen passen redelijk goed bij elkaar, " zei Bakker.

De onderzoekers willen dat de donuts zich gedragen als levende organismen:in water zwemmen en reageren op signalen. Levende wezens hebben voedsel of brandstof nodig om te bewegen. Voor het experiment, de onderzoekers plaatsten de microtori in een waterstofperoxide-oplossing, wat de brandstof was. Platina ontleedt waterstofperoxide en zorgt voor de voortstuwing van de donuts.

"Oorspronkelijk, men dacht dat een horizontale torus gewoon van het substraat zou opstijgen en zou blijven zweven, maar dat gebeurt niet, "zei Aronson. "In plaats van rechtop te staan, ze beginnen te fooien, een hoek van 15 graden bereiken en dan zwemmen ze als een jetskiër."

Terwijl de horizontale microtori in een rechte lijn bewegen, Aronson merkt op dat een verticale torus niet in de richting van het magnetische veld zal bewegen, maar naarmate het magnetische veld toeneemt, de torus creëert grotere en grote platte lussen totdat de beweging een rechte lijn wordt.

De onderzoekers rapporteren vandaag (30 oktober) in Natuurcommunicatie dat "de tori ook andere kunstmatige zwemmers manipuleerde en vervoerde, bimetalen nanostaafjes, evenals passieve colloïdale deeltjes." De bimetalen staven zijn vergelijkbaar met bacteriën en dit is de eerste stap naar het manipuleren van biologische materie zoals cellen en bacteriën.

De twee modi van microdonuts gedragen zich anders bij het transporteren van deeltjes of actief materiaal. horizontale tori, degenen die bevroren zijn als donuts, actief bimetalen nanostaafjes transporteren.

De onderzoekers vonden een aantal nieuwe gedragingen voor deze 3D-geprinte chemisch aangedreven microzwemmers. Zowel hun experimentele als modelmatige benaderingen zijn toepasbaar op andere microzwemmers die worden aangedreven door alternatieve methoden voor waterstofperoxide. Voor biologische systemen, microzwemmers kunnen biocompatibele voortstuwingssystemen zoals enzymen of licht gebruiken.

De onderzoekers merken op dat "deze biocompatibele, 3D-geprinte microzwemmers zouden dan in staat zijn om biologisch actieve materie te koppelen en te manipuleren, wat leidt tot de ontwikkeling van intelligent celtransport en therapie."