I naturen är det vanligt att hitta strukturer som kombinerar både mjukt och hårt material. Dessa strukturer är ansvariga för olika mekaniska egenskaper och funktioner hos biologiska system. Som ett typiskt exempel har den mänskliga ryggraden alternerande högar av hårda ben och mjuka mellankotskivor, vilket är en viktig arkitektur som stödjer människokroppen samtidigt som kroppens flexibilitet bibehålls.

Att efterlikna den mjuk-hårda strukturen i naturen kan i princip inspirera till design av konstgjorda material och anordningar, såsom ställdon och robotar. Men förverkligandet av dessa strukturer har varit extremt utmanande, särskilt i mikroskala, där materialintegration och manipulation blir oerhört mindre praktiskt.

Med målet att utveckla biomimetiska material i mikroskala har forskargruppen under ledning av Dr. Yufeng Wang från Department of Chemistry vid University of Hong Kong (HKU) utvecklat en ny metod för att skapa mikroskaliga överbyggnader, kallad MicroSpine, som har både mjuka och mjuka hårda material som efterliknar ryggradens struktur och kan fungera som mikroaktuatorer med formomvandlande egenskaper. Detta genombrott, publicerat i Science Advances , uppnåddes genom kolloidal montering, en enkel process där nano- och mikropartiklar spontant organiserar sig i ordnade rumsliga mönster.

Många biologiska organismer, allt från däggdjur till leddjur och mikroorganismer, innehåller strukturer av synergistiskt integrerade mjuka och hårda komponenter. Dessa strukturer finns i olika längder, från mikrometer till centimeter, och står för de karakteristiska mekaniska funktionerna hos biologiska system. De har också stimulerat skapandet av konstgjorda material och anordningar, såsom ställdon och robotar, som ändrar form, rör sig eller aktiveras enligt yttre signaler.

Även om mjuk-hårda strukturer är lätta att tillverka i makroskala (millimeter och högre), är de mycket svårare att realisera i mikroskala (mikrometer och under). Detta beror på att det blir allt mer utmanande att integrera och manipulera mekaniskt distinkta komponenter i mindre skala. Traditionella tillverkningsmetoder, såsom litografi, möter flera begränsningar när man försöker skapa småskaliga komponenter med top-down-strategier. Till exempel kan lågt utbyte uppstå eftersom småskaliga tillverkningsprocesser är mer komplexa och kräver större precision, vilket kan öka risken för defekter och fel i slutprodukten.

För att tackla utmaningen tog Dr Wang och hans team ett annat tillvägagångssätt, kallat kolloidal montering. Kolloider är små partiklar som är 1/100 av människohår och kan tillverkas av olika material. När de är korrekt konstruerade kan partiklarna interagera med varandra och spontant samlas till ordnade överbyggnader.

Som en bottom-up-metod är kolloidal montering fördelaktig för att göra strukturer i mikroskala eftersom det möjliggör exakt kontroll över skapandet av de önskade strukturerna från olika byggstenar, med ett högre utbyte. Ändå är svårigheten hur man styr partiklarna att monteras till den önskade mjuk-hårda strukturen.

Genom att använda ryggraden som grund för design har teamet uppfunnit nya partiklar som härrör från metall-organiska ramverk (MOF), ett framväxande material som kan monteras med hög riktning och specificitet. Eftersom de också är den hårda komponenten kan dessa MOF-partiklar kombineras med mjuka vätskedroppar för att bilda linjära kedjor. De hårda och mjuka komponenterna intar alternerande positioner i kedjan och efterliknar ryggradens struktur, det vill säga MicroSpine.

"Vi introducerar också en mekanism genom vilken den mjuka komponenten i kedjan kan expandera och krympa när MicroSpine värms eller kyls, så att den kan ändra form reversibelt," förklarade Dengping Lyu, den första författaren till uppsatsen, liksom Ph. D. Kandidat vid Institutionen för kemi vid HKU.

Med hjälp av MicroSpine-systemet visade teamet också olika exakta aktiveringslägen när de mjuka delarna av kedjan modifieras selektivt. Dessutom har kedjorna använts för inkapsling och frigöring av gästföremål, enbart styrda av temperatur.

Förverkligandet av dessa funktioner är betydelsefullt för den framtida utvecklingen av systemet, eftersom det kan leda till skapandet av intelligenta mikrorobotar som kan utföra sofistikerade mikroskalauppgifter, såsom läkemedelsleverans, lokaliserad avkänning och andra tillämpningar. De mycket enhetliga och exakt strukturerade mikroskalakomponenterna skulle kunna användas för att skapa effektivare läkemedelstillförselsystem eller sensorer som kan detektera specifika molekyler med hög känslighet och noggrannhet.

Forskargruppen anser att denna teknik representerar ett viktigt steg mot att skapa komplexa enheter och maskiner i mikroskala. Enligt Dr Wang, "Om du tänker på moderna maskiner som bilar, är de sammansatta av tiotusentals olika delar. Vi strävar efter att uppnå samma nivå av komplexitet med olika kolloidala delar." Genom att ta inspiration från naturen hoppas forskargruppen kunna designa fler biomimetiska system som kan utföra komplexa uppgifter i mikroskala och bortom.

Mer information: Dengping Lyu et al, Biomimetiska termoresponsiva överbyggnader genom kolloidal mjuk-och-hård sammansättning, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh2250

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av University of Hong Kong