En konisk nanopartikel (guldfärgad) i vatten. Partikeln utsätts för en ultraljudsvåg (gröna pilar anger riktningen för vågens utbredning). Eftersom ultraljudet påverkar partikeln skapas ett flödesfält i dess omgivning (de svarta pilarna i bakgrunden visar flödets riktning och styrka vid olika positioner). Flödesfältet orsakar framdrivning av partikeln i den röda pilens riktning. Kredit:Münster University – Wittkowski arbetsgrupp.
Mikroskopiskt små nanomaskiner som rör sig som ubåtar med sin egen framdrivning – till exempel i människokroppen, där de transporterar aktiva ämnen och släpper ut dem vid ett mål:Det som låter som science fiction har under de senaste 20 åren blivit en allt snabbare växande forskningsområde. Men de flesta partiklar som utvecklats hittills fungerar bara i laboratoriet. Framdrivning är till exempel ett hinder. Vissa partiklar måste tillföras energi i form av ljus, andra använder kemiska framdrivningar som frigör giftiga ämnen. Ingen av dessa kan övervägas för någon tillämpning i kroppen. En lösning på problemet kan vara akustiskt framdrivna partiklar. Johannes Voß och Prof. Raphael Wittkowski från Institutet för teoretisk fysik och Centrum för mjuk nanovetenskap vid universitetet i Münster (Tyskland) har nu hittat svar på centrala frågor som tidigare stått i vägen för att tillämpa akustisk framdrivning. Resultaten har publicerats i tidskriften ACS Nano .
Restande ultraljudsvågor är lämpliga för framdrivning
Ultraljud används i akustiskt framdrivna nanomaskiner eftersom det är ganska säkert för applikationer i kroppen. Huvudförfattaren Johannes Voß sammanfattar forskningen så här långt:"Det finns många publikationer som beskriver experiment. Men partiklarna i dessa experiment exponerades nästan alltid för en stående ultraljudsvåg. Detta gör visserligen experimenten avsevärt enklare, men Samtidigt gör det resultaten mindre meningsfulla när det gäller möjliga tillämpningar – för i så fall skulle resande ultraljudsvågor användas." Detta beror på det faktum att stående vågor produceras när vågor som rör sig i motsatta riktningar överlappar varandra.
Vad forskare inte heller tidigare tagit hänsyn till är att i tillämpningar kan partiklarna röra sig i vilken riktning som helst. Därmed lämnade de frågan om framdrivningen är beroende av partiklarnas orientering. Istället tittade de bara på partiklar i linje vinkelrätt mot ultraljudsvågen. Nu har forskargruppen i Münster för första gången studerat effekterna av orientering med hjälp av utarbetade datorsimuleringar.
De kom fram till att nanopartiklarnas framdrivning beror på deras orientering. Samtidigt fungerar den akustiska framdrivningsmekanismen i resande ultraljudsvågor så bra för alla orienteringar av partiklarna – dvs. inte bara exakt vinkelrätt mot ultraljudsvågen – att dessa partiklar verkligen kan användas för biomedicinska tillämpningar. En annan aspekt som Münster-fysikerna undersökte var framdrivningen partiklarna uppvisade när de exponerades för ultraljud från alla håll (d.v.s. "isotropiskt ultraljud").
En grund för steget mot ansökan
"Our results showed how the particles will behave in applications and that the propulsion has the right properties for the particles to actually be used in these applications," Johannes Voß concludes. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."
The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."
By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." + Utforska vidare
