Onderzoekers van het Chemistry Institute van de Universiteit van Campinas (IQ-UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië, een sjabloonvrije techniek hebben ontwikkeld om trilhaartjes van verschillende groottes te fabriceren die biologische functies nabootsen en meerdere toepassingen hebben, van het sturen van vloeistoffen in microkanalen tot het laden van materiaal in een cel, bijvoorbeeld. De zeer flexibele trilhaartjes zijn gebaseerd op met polymeer gecoate ijzeroxide nanodeeltjes, en hun beweging kan worden gecontroleerd door een magneet.

In de natuur, trilhaartjes zijn microscopisch kleine haarachtige structuren die in grote aantallen op het oppervlak van bepaalde cellen worden aangetroffen, het veroorzaken van stromingen in de omringende vloeistof of, in sommige protozoën en andere kleine organismen, voortstuwing leveren.

Om de langwerpige nanostructuren te fabriceren zonder een sjabloon te gebruiken, Watson Loh en postdoctoraal fellow Aline Grein-Iankovski gecoate deeltjes ijzeroxide (γ-Fe ₂ O ₃ , bekend als maghemiet) met een laag van een polymeer met thermoresponsieve fosfonzuurgroepen en op maat gesynthetiseerd door een gespecialiseerd bedrijf. De techniek maakt gebruik van de bindingsaffiniteit van fosfonzuurgroepen aan metaaloxide-oppervlakken, het vervaardigen van de trilhaartjes door middel van temperatuurregeling en het gebruik van een magnetisch veld.

"De materialen binden niet bij kamertemperatuur of daaromtrent, en een klomp vormen zonder de stimulus van een magnetisch veld, " legde Loh uit. "Het is het effect van het magnetische veld dat ze de langwerpige vorm van een cilium geeft."

Grein-Iankovski begon met stabiele deeltjes in oplossing en had het idee om de trilharen te verkrijgen tijdens een poging om het materiaal te aggregeren. "Ik bereidde losse langwerpige filamenten in oplossing voor en dacht erover om het richtingsveld te veranderen, ' herinnerde ze zich. 'In plaats van ze evenwijdig aan de glasplaat te oriënteren, Ik plaatste ze in een loodrechte positie en ontdekte dat ze dan de neiging hadden om naar het oppervlak van het glas te migreren. Ik realiseerde me dat als ik ze dwong om aan het glas te blijven plakken, Ik zou een ander soort materiaal kunnen krijgen dat niet los zou zitten:de beweging zou geordend en collaboratief zijn."

Het thermoresponsieve polymeer bindt zich aan het oppervlak van de nanodeeltjes en organiseert ze in langwerpige filamenten wanneer het mengsel wordt verwarmd en blootgesteld aan een magnetisch veld. De overgang vindt plaats bij een biologisch compatibele temperatuur (ongeveer 37 ° C). De resulterende magnetische trilhaartjes zijn "opmerkelijk flexibel", voegde ze eraan toe. Door de concentratie van de nanodeeltjes te verhogen, hun lengte kan worden gevarieerd van 10 tot 100 micron. Eén micron (μm) is een miljoenste van een meter.

"Het voordeel van het niet gebruiken van een sjabloon is dat je niet onderhevig bent aan de beperkingen van deze methode, zoals maat, bijvoorbeeld, " legde Grein-Inakovski uit. "In dit geval, om zeer kleine trilhaartjes te maken, zouden we sjablonen moeten maken met microscopisch kleine gaatjes, wat zeer arbeidsintensief zou zijn. Aanpassingen aan vachtdichtheid en ciliumgrootte zouden nieuwe sjablonen vereisen. Voor elke dikte van het eindproduct moet een ander sjabloon worden gebruikt. Verder, het gebruik van een sjabloon voegt een nieuwe fase toe aan de productie van trilhaartjes, dat is de fabricage van de sjabloon zelf."

Grein-Iankovski is de hoofdauteur van een artikel gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C over de uitvinding, dat deel uitmaakte van een thematisch project ondersteund door FAPESP, met Loh als hoofdonderzoeker.

"Bij het Thematic Project zijn vier groepen betrokken die onderzoeken hoe moleculen en deeltjes op colloïdaal niveau zijn georganiseerd, betekenis op het niveau van zeer kleine structuren. Onze benadering is om manieren te vinden om deze moleculen te controleren, zodat ze aggregeren als reactie op een externe stimulus, die aanleiding geven tot verschillende vormen met een scala aan verschillende toepassingen, " zei Loh.

Omkeerbaarheid

Nadat het magnetische veld is verwijderd, het materiaal blijft minimaal 24 uur geaggregeerd. Het valt dan uiteen met een snelheid die afhangt van de temperatuur waarbij het werd bereid. "Hoe hoger de temperatuur, hoe intenser het effect en hoe langer het geaggregeerd blijft buiten het magnetische veld, ' zei Grein-Iankovski.

Volgens Loh, de omkeerbaarheid van het materiaal is een positief punt. "In ons zicht, het materiaal kunnen ordenen en desorganiseren, om 'het systeem in en uit te schakelen', is een voordeel, " zei Loh. "We kunnen de temperatuur aanpassen, hoe lang het geaggregeerd blijft, cilium lengte, en vachtdichtheid. We kunnen het materiaal aanpassen voor veel verschillende soorten gebruik, organiseren en vormgeven voor specifieke doeleinden. Ik geloof dat de mogelijke toepassingen legio zijn, van biologisch tot fysiek gebruik, inclusief materiaalwetenschappelijke toepassingen."

Een ander groot voordeel, Grein-Iankovski heeft toegevoegd, is de mogelijkheid om het materiaal extern te manipuleren, waar de tool die hiervoor wordt gebruikt zich niet in het systeem bevindt. "The filaments can be used to homogenize and move particles in a fluid microsystem, in microchannels, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, bijvoorbeeld."

The cilia can also be used in sensors, in which the particles respond to stimuli from a molecule, or to feed microscopic living organisms. "Ultimately it's possible to feed a microorganism or cell with loose cilia, which cross the cell membrane under certain conditions. They can be made to enter a cell, and a magnetic field is applied to manipulate their motion inside the cell, " Loh said.

Al meer dan tien jaar, Loh has collaborated with Jean-François Berret at Paris Diderot University (Paris 7, France) in research on the same family of polymers to obtain elongated materials for use in the biomedical field. "We're pursuing other partnerships to explore other possible uses of the cilia, " hij zei.

The scientists now plan to include a chemical additive in the nanostructures that will bind the particles chemically, obtaining cilia with a higher mechanical strength that remain functional for longer when not exposed to a magnetic field, if this is desirable.