Nanoroboter och andra minibilar kan kanske utföra viktiga tjänster inom medicin en dag-till exempel genom att genomföra fjärrstyrda operationer eller transportera farmaceutiska medel till en önskad plats i kroppen. Dock, hittills har det varit svårt att styra sådana mikro- och nanosvimmare exakt genom biologiska vätskor som blod, ledvätska eller insidan av ögongloben. Forskare vid Max Planck -institutet för intelligenta system i Stuttgart presenterar nu två nya tillvägagångssätt för konstruktion av framdrivningssystem för små flytande kroppar. För en motor, framdrivningen genereras av bubblor som får oscillera med ultraljud. Med den andra, en ström som orsakas av produkten av en enzymatisk reaktion driver en nanosvimma.

Jetflygplan har lett vägen. De bränner bränsle, mata ut förbränningsprodukterna i en riktning och som ett resultat flytta i motsatt riktning. Forskare vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart gör det på ett mycket liknande sätt - om än i mycket mindre skala. Deras undervattens-nanorobot är ett enväggigt nanorör av kiseldioxid, bara 220 nanometer (miljarddels meter) i diameter. En partikel av denna karaktär skulle normalt inte kunna driva sig själv i vätskor. Forskarna belagde därför antingen endast den inre eller den inre såväl som den yttre ytan eller av nanoröret med enzymet ureas som bryter ned urea till ammoniak och koldioxid.

Om ett nanorör framställt på detta sätt införs i en vätska som innehåller urea, denna urea bryts ner vid den ureasbelagda inre väggen. Reaktionsprodukterna genererar en ström i vätskan som driver dem ut ur röret som en stråle. Eftersom en sådan nanosvimmer antingen är tunnare i ena änden än i den andra eller så är urea inte fördelat homogent över dess yta, detta resulterar i en dragkraft, så att mikrosimmaren upplever framdrivning i motsatt riktning-som i ett jetflygplan. Nanojets nådde hastigheter på 10 mikrometer per sekund, dvs nästan fyra centimeter i timmen.

Världens minsta jetmotor

Visserligen, att belägga en nanorobot för att uppnå en kemisk drivning är ingalunda ny. Dock, röret nu presenterat, med 220 nanometer öppning, representerar det minsta jetdrivsystem som hittills konstruerats i världen. "Vårt tidigare rekord, som fortfarande finns i Guinness rekordbok, var ungefär tre gånger större ", förklarar Samual Sanchez som leder Smart NanoBioDevices Group vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart och samtidigt innehar en professur vid Institute for Bioengineering of Catalonia i Barcelona.

Och det finns en annan ny aspekt av nanojet som forskare från Harbin Institute of Technology i Shenzhen i Kina också hjälpte till att utveckla:för första gången, alla använda material och reaktionspartners är helt biokompatibla. "Tidigare kemiska drivmedel av detta slag baserades vanligtvis på en metallisk katalysator vid vars yta väteperoxid bryts ner till väte- och syremolekyler", säger Sanchez. Syrebubblor skapas i processen, vilket skapar ett drag i motsatt riktning. Både väteperoxid och gasbubblor skulle ha nackdelar om de används i människokroppen. Men så är inte fallet med den ureasbelagda versionen med sina vattenlösliga-och därför bubblfria-reaktionsprodukter. "Urea uppstår ändå i den mänskliga organismen", Sanchez förklarar.

Forskarna vill nu testa biokompatibiliteten mer exakt-och i processen undersöka om de kan lyckas implantera sådana mikrorör i enskilda celler. "Det skulle vara nödvändigt, självklart, för att få läkemedelsmolekyler till sin destination, till exempel", säger Sanchez.

Oscillerande bubblor ger dragkraft

Medan gasbubblor fortfarande var oönskade i det angivna tillvägagångssättet, de utgör själva mittpunkten i en helt ny princip för framdrivning för minirobos, som kollegor på Institute in the Micro, Nano and Molecular Systems Group under ledning av Peer Fischer föreslår. Dock, här bubblar gasbubblorna inte fritt genom vätskan och kan därför inte skada organismen. Snarare, forskarna innesluter mikrobubblorna i små cylindriska kammare längs en plastremsa. För att tillhandahålla enheten, därför, gasbubblorna expanderar och drar ihop sig cykliskt eftersom ultraljud får dem att svänga. När de pulserande bubblorna är i kammare öppna på ena sidan, de expanderar bara genom denna öppning. I processen, de utövar en kraft på kammarens motstående vägg som driver plastremsan. För att uppnå framdrivning värd att nämna, forskarna ordnade flera kammare med luftbubblor parallellt på sin polymerremsa.

En anmärkningsvärd aspekt:​​ljudvågfrekvensen som krävs för att få dem att svänga beror på storleken på de små bubblorna. Ju större bubblor, desto mindre motsvarande resonansfrekvens. Forskarna använde denna anslutning för att få deras simmare att rotera omväxlande medurs och moturs. Att göra så, de placerade bubblor av olika storlekar på de två halvorna av de fyra, långa kubiska ytor delade på längden. Två olika ljudfrekvenser användes sedan i en vätska som var och en fick alla bubblor av en storlek att svänga. På det här sättet, forskarna genererade drag uteslutande på hälften av kuboidytan som fick den att rotera på sin egen axel. Denna lilla akustiskt drivna rotationsmotor med längsgående ytor på var fem kvadratmillimeter i storlek uppnådde upp till tusen varv per minut i processen.

En möjlighet för styrning av minisimmare

"Variationen i bubblornas storlek gör att en minisimmare medvetet kan styra åt olika håll", säger Tian Qiu, som också forskar vid Max Planck -institutet i Stuttgart och spelade en betydande roll i studien. Enligt Qiu, en ytterligare fördel med den nya framdrivningsprincipen är att även simmare med en komplicerad geometrisk struktur kan beläggas med de tunna remsorna tillsammans med kammare för bubblorna. Han fortsätter med att förklara att användningen av ultraljud också är lämpad för optiskt ogenomträngliga medier som blod. Ljusvågor, som också är ett potentiellt kontrollinstrument för mikroenheter, kan inte uppnå något i det här fallet. Forskarna vill nu använda tester i verkliga biologiska medier för att kontrollera om den nya drivningsprincipen också kan få ut det mesta av sina fördelar i praktiken.