Forskare vid University of Campinas's Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien, har utvecklat en mallfri teknik för att tillverka flimmerhår av olika storlekar som efterliknar biologiska funktioner och har flera tillämpningar, från att styra vätskor i mikrokanaler till att ladda material i en cell, till exempel. De mycket flexibla flimmerhåren är baserade på polymerbelagda nanopartiklar av järnoxid, och deras rörelse kan styras av en magnet.

I naturen, cilia är mikroskopiska hårliknande strukturer som finns i stort antal på ytan av vissa celler, orsakar strömmar i den omgivande vätskan eller, i vissa protozoer och andra små organismer, tillhandahåller framdrivning.

För att tillverka de långsträckta nanostrukturerna utan att använda en mall, Watson Loh och postdoktor Aline Grein-Iankovski belagda partiklar av järnoxid (γ-Fe ₂ O ₃ , känd som maghemite) med ett skikt av en polymer som innehåller termokänsliga fosfonsyragrupper och specialsyntetiserad av ett specialiserat företag. Tekniken utnyttjar fosfonsyragruppernas bindningsaffinitet till metalloxidytor, tillverkning av flimmerhåren med hjälp av temperaturkontroll och användning av ett magnetfält.

"Materialen binder inte vid rumstemperatur eller däromkring, och bildar en klump utan stimulans av ett magnetfält, " förklarade Loh. "Det är effekten av magnetfältet som ger dem den långsträckta formen av ett cilium."

Grein-Iankovski började med stabila partiklar i lösning och hade idén att skaffa flimmerhåren under ett försök att aggregera materialet. "Jag förberedde lösa långsträckta filament i lösning och funderade på att ändra riktningsfältet, " mindes hon. "Istället för att orientera dem parallellt med glasskivan, Jag placerade dem i en vinkelrät position och upptäckte att de sedan tenderade att migrera till glasets yta. Jag insåg att om jag tvingade dem att hålla sig till glaset, Jag kunde få en annan typ av material som inte skulle vara löst:dess rörelse skulle vara ordnad och samarbetsvillig."

Den termokänsliga polymeren binder till ytan av nanopartiklarna och organiserar dem i långsträckta filament när blandningen värms upp och utsätts för ett magnetfält. Övergången sker vid en biologiskt kompatibel temperatur (cirka 37 °C). De resulterande magnetiska flimmerhåren är "anmärkningsvärt flexibla", tillade hon. Genom att öka koncentrationen av nanopartiklar, deras längd kan varieras från 10 till 100 mikron. En mikron (μm) är en miljondels meter.

"Fördelen med att inte använda en mall är att inte vara föremål för begränsningarna av denna metod, som storlek, till exempel, " Grein-Inakovski förklarade. "I det här fallet, för att producera mycket små flimmerhår skulle vi behöva skapa mallar med mikroskopiska hål, vilket skulle vara extremt mödosamt. Justeringar av beläggningsdensitet och ciliumstorlek skulle kräva nya mallar. En annan mall måste användas för varje slutprodukttjocklek. Vidare, att använda en mall lägger till ytterligare ett steg i produktionen av flimmerhår, som är tillverkningen av själva mallen."

Grein-Iankovski är huvudförfattare till en artikel publicerad i Journal of Physical Chemistry C på uppfinningen, som var en del av ett tematiskt projekt med stöd av FAPESP, med Loh som huvudutredare.

"Det tematiska projektet involverar fyra grupper som undersöker hur molekyler och partiklar är organiserade på kolloidal nivå, mening på nivån för mycket små strukturer. Vårt tillvägagångssätt är att försöka hitta sätt att kontrollera dessa molekyler så att de aggregerar som svar på en extern stimulans, ger upphov till olika former med en rad olika användningsområden, " sa Loh.

Reversibilitet

Efter att magnetfältet har tagits bort, materialet förblir aggregerat i minst 24 timmar. Den sönderdelas sedan med en hastighet som beror på temperaturen vid vilken den bereddes. "Ju högre temperatur, ju mer intensiv effekten är och desto längre förblir den aggregerad utanför magnetfältet, " sa Grein-Iankovski.

Enligt Loh, materialets reversibilitet är en positiv punkt. "Enligt vår uppfattning, kunna organisera och desorganisera materialet, för att "slå på och stänga av systemet", är en fördel, " sa Loh. "Vi kan justera temperaturen, hur länge det förblir aggregerat, cilium längd, och pälstäthet. Vi kan skräddarsy materialet för många olika typer av användning, organisera den och forma den för specifika ändamål. Jag tror att de potentiella applikationerna är otaliga, från biologisk till fysisk användning, inklusive materialvetenskapliga tillämpningar."

En annan stor fördel, Grein-Iankovski lade till, är möjligheten att manipulera materialet externt, där verktyget som används för att göra det inte finns i systemet. "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, till exempel."

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.

For more than ten years, 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, " han sa.

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.