Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц

Самодвижущиеся наночастицы потенциально могут способствовать развитию систем доставки лекарств и лабораторий-на-чипе, но они склонны к хаотичным и ненаправленным движениям. Теперь международная группа исследователей разработала подход, позволяющий обуздать синтетические частицы.

Под руководством Игоря Аронсона, профессора кафедры биомедицинской инженерии, химии и математики имени Дороти Фоер Хак и Дж. Ллойда Хака в штате Пенсильвания, команда переделала наночастицы в форму пропеллера, чтобы лучше контролировать их движения и повысить их функциональность. Свои результаты они опубликовали в журнале Small.

По словам Эшли Макговерн, докторанта химического факультета Пенсильванского университета и первого автора статьи, из-за сложностей с изготовлением форма наночастиц ранее ограничивалась стержнями и пончиками. С помощью станка nanoscribe, который позволяет осуществлять 3D-печать на наноуровне в Институте исследования материалов штата Пенсильвания, Макговерн провела эксперимент, чтобы оптимизировать форму наночастиц. Она изменила форму частиц, превратив их в пропеллер, который может эффективно вращаться под воздействием химической реакции или магнитного поля.

Форма пропеллера использует хиральность, подобно винту или винтовой лестнице, где верхняя поверхность зеркально отражается на нижней.

Форма предопределяет, как будет двигаться частица, — говорит Макговерн.

Хиральность, или направленность, как конструктивная особенность, недостаточно использовалась в исследованиях наночастиц, и это способ заставить частицы двигаться все более и более сложными способами.

Хиральная форма позволяет частицам двигаться в заданном направлении и, в зависимости от наклона лопастей, вращаться на месте по часовой стрелке или против нее, подпитываясь химической реакцией между металлами в наночастицах и перекисью водорода.

Экспериментируя с разным количеством и углом наклона ребер, а также с разной толщиной, исследователи обнаружили, что использование четырех и более ребер при наклоне 20 градусов и толщине 3,3 микрона обеспечивает наибольшую стабильность. При использовании трех и менее плавников пропеллеры демонстрировали неконтролируемое движение.

Усиление контроля позволило исследователям манипулировать частицами для захвата и транспортировки полимерных частиц груза.

Используя магнитное поле, мы можем направлять микропропеллеры для поиска и сбора частиц груза, — говорит Макговерн.

В нашей лаборатории наночастицы в форме стержня и пончика случайно захватывали груз, но не контролируемым образом.

Чтобы еще больше контролировать движение частиц, исследователи манипулировали направлением вращения микропропеллеров.

Благодаря встроенным потокам, которые создают частицы, мы можем управлять взаимодействием частиц между двумя пропеллерами, — говорит Макговерн.

Переключение направления вращения с против часовой стрелки на часовую и наоборот позволяет двум пропеллерам притягиваться или отталкиваться друг от друга.

Аронсон, возглавляющий лабораторию активных биоматериалов, в которой работает Макговерн, подчеркнул перспективность этого исследования.

Используя индивидуальные механические, магнитные и химические реакции, мы сможем контролировать эти наночастицы как никогда раньше, — сказал Аронсон.

В будущем мы сможем использовать этот контроль, чтобы применить эту технологию для разработки концепций микромасштабных устройств или микророботов.

12.12.2023