Självgående nanopartiklar skulle potentiellt kunna främja läkemedelsleverans och lab-on-a-chip-system – men de är benägna att bli oseriösa med slumpmässiga, riktningslösa rörelser. Nu har ett internationellt team av forskare utvecklat en metod för att tygla de syntetiska partiklarna.
Ledda av Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck och J. Lloyd Huck ordförande professor i biomedicinsk teknik, kemi och matematik vid Penn State, gjorde teamet om nanopartiklarna till en propellerform för att bättre kontrollera deras rörelser och öka deras funktionalitet. De publicerade sina resultat i tidskriften Small .
På grund av tillverkningsutmaningar har formen på nanopartiklar tidigare varit begränsad till stavar och munkar, enligt Ashlee McGovern, doktorand i kemi vid Penn State och första författare på tidningen. Med en nanoscribe-maskin som kan 3D-skriva ut i nanoskala i Penn State's Materials Research Institute, experimenterade McGovern för att optimera nanopartikelformen. Hon gjorde om formen på partiklarna till en propeller, som kan snurra effektivt när den utlöses av en kemisk reaktion eller magnetfält.
Propellerformen använder kiralitet, som liknar en skruv- eller spiraltrappa, där den övre ytan speglas av bottenytan.
"Form förutbestämmer hur en partikel kommer att röra sig," sa McGovern. "Kiralitet, eller handenhet, som designfunktion har inte använts tillräckligt i nanopartikelforskning och är ett sätt att få partiklarna att röra sig på mer och mer komplexa sätt."
Den kirala formen gör att partiklarna kan röra sig i en föreskriven riktning, och, beroende på bladens lutning, snurrar de medurs eller moturs på plats, drivs av en kemisk reaktion mellan metallerna i nanopartiklarna och väteperoxid.
Efter att ha experimenterat med olika antal och vinklar av fenor, såväl som olika tjocklekar, fann forskarna att användning av fyra eller fler fenor med en 20-graders lutning och 3,3-mikrons tjocklek möjliggjorde den största stabiliteten. Med tre eller färre fenor uppvisar propellrarna okontrollerad rörelse.
Den ökade kontrollen gjorde det möjligt för forskare att manipulera partiklarna för att fånga och transportera polymerlastpartiklar.
"Med hjälp av ett magnetfält kan vi styra mikropropellrarna för att jaga och samla in lastpartiklar," sa McGovern. "Vårt labbs stav- och munkformade nanopartiklar skulle av misstag ta upp last, men inte på något kontrollerat sätt."
För att ytterligare kontrollera partiklarnas rörelser manipulerade forskare mikropropellrarnas rotationsriktning.
"Med de inbyggda flödena som partiklarna skapar kan vi kontrollera partikel-till-partikel-interaktionerna mellan de två propellrarna," sa McGovern. "Om du byter rotationsriktning från moturs till medurs och vice versa kan två propellrar attrahera eller stöta bort varandra."
Aronson, som leder Active Biomaterials Lab där McGovern arbetar, betonade den framtida räckvidden för denna forskning.
"Genom att använda skräddarsydda mekaniska, magnetiska och kemiska svar kan vi utöva mer kontroll än någonsin tidigare på dessa nanopartiklar," sa Aronson. "I framtiden kan vi utnyttja denna kontroll för att tillämpa den här tekniken för att designa koncept för mikroskala enheter eller mikrorobotik."
Mer information: Ashlee D. McGovern et al, Multifunctional Chiral Chemically-Powered Micropropellers for Cargo Transport and Manipulation, Small (2023). DOI:10.1002/smll.202304773
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
