Bakterier och andra simmikroorganismer har utvecklats för att trivas i utmanande miljöer, och forskare kämpar för att efterlikna deras unika förmågor för biomedicinsk teknologi, men tillverkningsutmaningar skapade en tillverkningsflaskhals. Mikroskopisk, 3D-tryckt, tori—munkar—belagda med nickel och platina kan överbrygga klyftan mellan biologiska och syntetiska simmare, enligt ett internationellt team av forskare.

Dessa mikrosimmare härmar biologiskt beteende och kanske en dag levererar riktade droger eller rör om prover i laboratorier-på-ett-chip – en miniatyrenhet som efterliknar ett fullt laboratorium på ett mikrochip.

"Dessa munkar kan så småningom ha medicinska tillämpningar som aktivt material, sa Igor Aronson, Huck Chair professor i biomedicinsk teknik, Kemi och matematik, Penn State.

Aktiva material är de som rör sig på egen hand som bakterier eller konstgjorda mikrosimmare.

"Det är verkligen svårt att få saker att blandas när man använder ett lab-on-a-chip, " sa Remmi Danae Baker, doktorand i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Dessa mikrotorier, eftersom de är aktiva material och rör sig på egen hand, kan användas för att hjälpa till med mikroblandning."

Forskarna tillverkar dessa munkar med hjälp av en Nanoscribe Photonic Professional GT-maskin som tillåter skapandet av 3, 7 eller 14 mikrometer munkar med tryckta funktioner på upp till 200 nanometer. Spindelsilke är 3 till 10 mikrometer i diameter. Nanoscribe använder exakt laserteknik och specialdesignade fotoresister för att uppnå detta.

"Vi skapar två olika mönster, horisontell och vertikal, " sa Baker. "Horisontella tori är tryckta platt på den stödjande glasskivan, glaserad med nickel och sedan platina. Vertikala tori är 3-D-tryckta upprätt och doppas sedan i nickel och platina."

De horisontella munkarna är perfekt cirkulära och ser ut som iskalla munkar, med glasyren tjockare ovanpå än på sidorna. Den vertikala versionen har en platt ände så att de står för doppning och bara doppas halvvägs.

Nickeln tjänar två syften. Platina kommer inte att fastna på plastmikromunkarna, men nickel kommer och platina kommer att hålla sig till nickel. Också, nickel är magnetiskt, så att forskarna kan manipulera munkarna med magnetfält.

"Gallren i nickel- och platinaskikten matchar ganska bra, sa Baker.

Forskarna vill att munkarna ska bete sig som levande organismer – simma i vatten och svara på signaler. Levande saker behöver mat eller bränsle för rörelse. För experimentet, forskarna placerade mikrotori i en väteperoxidlösning, som var bränslet. Platina bryter ner väteperoxid och driver framdriften av munkarna.

"Ursprungligen, man trodde att en horisontell torus bara skulle stiga upp från substratet och sväva, men det händer inte, sade Aronson. Istället för att resa sig rakt upp, de börjar tippa, når en 15 graders vinkel och sedan simmar de som en vattenskoter."

Medan de horisontella mikrotori rör sig i en rak linje, Aronson noterar att en vertikal torus inte kommer att röra sig i magnetfältets riktning, men när magnetfältet ökar, torusen skapar större och stora platta slingor tills rörelsen blir en rak linje.

Forskarna rapporterar idag (30 oktober) in Naturkommunikation att "Tori manipulerade och transporterade också andra konstgjorda simmare, bimetalliska nanorods, såväl som passiva kolloidala partiklar." De bimetalliska stavarna liknar bakterier och detta är det första steget för att manipulera biologiskt material som celler och bakterier.

De två sätten för mikromunkar beter sig olika vid transport av partiklar eller aktivt material. Horisontell tori, de isade som munkar, transporterar aktivt bimetalliska nanorods.

Forskarna hittade ett antal nya beteenden för dessa 3-D-printade kemiskt drivna mikrosimmare. Både deras experimentella och modelleringsmetoder är tillämpliga på andra mikrosimmare som drivs av alternativa metoder till väteperoxid. För biologiska system, mikrosimmare kan använda biokompatibla framdrivningssystem som enzymer eller ljus.

Forskarna noterar att "dessa biokompatibla, 3-D-printade mikrosimmare skulle då kunna samverka med och manipulera biologiskt aktivt material, vilket leder till utvecklingen av intelligent celltransport och terapi."