Dans le microtori de natation imprimé en 3D programmé par forme pour le transport d'agents passifs et actifs, récemment publié, des chercheurs internationaux explorent les défis de l'imitation des “ comportements de natation uniques '' des micro-organismes – à des fins de microfabrication. Cependant, avec l'impression 3D à l'échelle nanométrique, ils ont pu concevoir des tores microscopiques pour le transport de matière biologique.
Les systèmes de matière active deviennent de plus en plus intéressants pour les chercheurs comme sujet d'étude, mais pour être fonctionnels, ils doivent être capables de s'adapter à leur environnement, doivent être capables d'un comportement complexe et capables de fonctionner comme des nageurs autopropulsés.
Tori avec deux types de revêtement de surface. a Une image au microscope électronique à transmission à haute résolution (STEM) de Janus torus «vitré» sur une grille MET en dentelle de carbone. Le capuchon métallique a été appliqué au sommet du tori. La barre d'échelle est de 3 μm. b Image SEM d'un Janus tori «plongé» sur une grille MET en carbone. Le bas du tore est «coupé» en bas pour fournir une base stable lors de l'impression et de l'incorporation du métal. La barre d'échelle est de 2,25 μm. c Un graphique représentant la dépendance de la vitesse de propulsion à la concentration de peroxyde d'hydrogène. Les barres horizontales rouges et oranges sont respectivement les vitesses de propulsion émaillées et les tores plongés (avec 40 nm Ni et 10 nm Pt) sur un substrat d'or à 0% H202. Les carrés verts et jaunes sont respectivement les vitesses de propulsion des tores émaillés et trempés (avec 40 nm Ni et 10 nm Pt) sur un substrat d'or à 5% H202. Le diamant vert foncé est la vitesse de propusion de tores vitrés (avec 40 nm de Ni et 10 nm de Pt) sur un substrat en verre à 10% H202; et comparativement, le diamant bleu sarcelle est la vitesse de propulsion des tores plongés (avec 40 nm Ni et 10 nm Pt) sur un substrat d'or à 10% H202. Les triangles violet et bleu foncé sont, respectivement, les vitesses de propulsion émaillées (avec 40 nm Ni et 10 nm Pt) et les tores plongés (avec 10 nm Ni et 40 nm Pt) sur un substrat d'or à 15% H202. Les cercles magenta, citron vert et bleu glacier sont la vitesse de propulsion de tores vitrés de 3 μm de diamètre, de 7 tores vitrés et de 7 μm de trempés à 30% H202. Les trois tores ont un revêtement de 40 nm Ni et 10 nm Pt. Une légende complète se trouve dans la figure supplémentaire 3 et dans la note supplémentaire 2. Les barres d'erreur représentent un écart-type unique pour cet échantillon particulier
"Les systèmes bactériens montrent une grande variété de comportements complexes, y compris l'alignement spontané en présence de gradients chimiques et la modification des propriétés rhéologiques du fluide", ont déclaré les chercheurs. «La traduction de ces comportements complexes en systèmes artificiels est particulièrement intéressante pour les applications dans le transport de fluides, le mélange à petite échelle et la livraison ciblée de marchandises, mais est difficile en raison des limites intrinsèques de la nanofabrication.»
Jusqu'à présent, bon nombre des constructions les plus simples se sont révélées inférieures en termes de natation et d'autres comportements, ce qui montre clairement que de plus grandes avancées doivent être faites avant que ces particules ne deviennent une réalité fonctionnelle pour les scientifiques. Dans ce projet, les chercheurs ont créé des tores de natation manipulés par un champ magnétique. Ces constructions ont pu transporter les éléments suivants:
Autres nageurs artificiels Nanotiges bimétalliques Particules colloïdales passives
Ils ont créé un modèle indépendant du mécanisme hydrodynamique et de propulsion «pour tenir compte des nouveaux phénomènes émergents dans la natation microtori près des limites», ainsi que d'identifier les éléments nécessaires à la natation – vitesses de glissement auto-induites sur la surface et potentiels électrostatiques. Cela a laissé l'équipe ouverte à l'expérimentation de mécanismes alternatifs, avec des découvertes pertinentes pour d'autres systèmes biocompatibles comme les enzymes montées et la lumière.
Trajectoires de natation. a Trajectoires extraites et recentrées pour la traduction linéaire de Janus tori plongés et vitrés. b Trajectoires de tores orientés verticalement dans un champ magnétique croissant. Les trajectoires changent continuellement du cyclodial au linéaire. Les trajectoires bleues sont pour 0,8 G; les trajectoires vertes sont pour 0,9 G; et les trajectoires rouges sont pour 1,0 G
En utilisant la lithographie à deux photons, les chercheurs ont imprimé des structures programmables en 3D, avec des tores qui étaient à la fois chimiquement alimentés et imprégnés de caractéristiques à l'échelle nanométrique. L'équipe de recherche explique dans son article que les tori étaient soit vitrés, soit Janus, soit inégaux.
«En présence de peroxyde d'hydrogène, les tores commencent instantanément à planer au-dessus de la surface en raison de la propulsion auto-électrophorétique. En raison de l'instabilité des charges, c'est-à-dire des charges de surface mobiles résultant de l'auto-électrophorèse, les tores brisent spontanément la symétrie et s'inclinent à un angle stable. Les tores glissent ensuite sur la surface; finalement organisé en grappes dynamiques qui nagent en trois dimensions », ont expliqué les auteurs.
«L'ajout de champs externes et de gradients chimiques plus complexes peut être utilisé pour guider indirectement et directement les nageurs autonomes. Les tores pourraient alors être chargés de livrer des cargaisons vivantes, telles que des cellules, à des sites spécifiques pour la thérapie cellulaire; ou organiser collectivement les tores pour diriger leur flux pour le transport et le tri cellulaire. »
L'impression 3D est liée à une gamme fascinante de projets scientifiques, pour inclure des systèmes de livraison à l'échelle nano et micro, que ce soit en utilisant des matrices hydrophiles, des dispositifs micro-réservoirs ou même des spermbots. Que pensez-vous de cette nouvelle? Faites-nous part de vos pensées; rejoignez la discussion sur ce sujet et d'autres sujets sur l'impression 3D sur 3DPrintBoard.com.
États collectifs a – b Images de grappes de Janus tori orientées horizontalement et verticalement. Les particules de Janus orientées horizontalement forment des grappes dynamiques et instables. Les dimères orientés verticalement nagent en trois dimensions. c Une image de tores cliquetis actifs (regroupés). Le polymère est transparent et les taches métalliques sont brillamment réfléchies en blanc. Les tores plongés se fixent aux particules voisines au niveau du capuchon catalytique. Toutes les barres d'échelle mesurent 6,5 μm.
Transport de fret actif en nageant tori. a Un timelapse montrant l'attachement hydro- et électrodynamique d'une nano-tige de nage bimétallique à un microtori. La barre d'échelle est de 7 μm. b Un timelapse montrant un tori de 3 μm de diamètre transportant de nombreux nanotiges bimétalliques. La barre d'échelle est de 2,5 μm. c Une caricature montrant l'orientation verticale des tores micoscopiques par rapport aux nanodiges bimétalliques près de la surface. Les nanotiges bimétalliques s'alignent le long des lignes de fluides auto-générées des tores microscopiques à proximité. La barre d'échelle est de 2,5 μm
[Source / Images: «Microtori de natation imprimé en 3D à programmation programmée pour le transport d'agents passifs et actifs»]
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