Біоінженери надрукували мікроракету з трьома соплами, яка за рахунок термофорезу поставила новий рекорд у швидкості пересуванні серед мікророботів - 2,8 міліметра на секунду. За допомогою фотоакустичної мікроскопії вчені змогли спостерігати рух мікроракети через модельну гумову посудину з кров'ю і тканини мишиного вуха. Стаття опублікована в журналі
Вчені вже якийсь час експериментують з мікророботами для лікування. Найбільш зручний шлях доставки таких роботів до органів - через кровоносні судини, оскільки кровоносна система проходить через весь людський організм. На сьогоднішній момент мікророботи використовуються для точкової доставки ліків і лікування пухлин переважно в шлунку, кишковому тракті і підшкірної тканини. При розробці таких роботів вчені стикаються в першу чергу з неефективністю руху і малою дозволяючою здатністю засобів детектування, які не дозволяли визначати окремого робота з розмірами менше ста мікрометрів.
Кров - в'язке і швидкоплинне середовище, що значно ускладнює роботу мікроробота всередині організму. З існуючих мікророботів на різних рушійних силах достатньої швидкості досягли лише мікророботи на хімічному русі, але токсичні реагенти не дозволяють використовувати це в кровоносних судинах. Поширені магнітні мікророботи чудові в безпеці використання і контролі управління, але мала швидкість не дозволяє використовувати їх навіть у судинах з найповільнішим струмом крові. Більш високою швидкістю серед неруйнівних і нетоксичних методів володіють мікророботи, що рухаються за рахунок світла. Основний принцип роботи таких мікророботів укладено в асиметрії їх фігури, через яку при опроміненні світлом різні частини мікроробота нагріваються по-різному і виникає явище термофорезу - тіло переміщається з гарячої зони в більш холодну.
За рухом окремої мікроробота в кровоносних судинах необхідно стежити з високою точністю, чого не дозволяють досягти сучасні методи (комп'ютерна та магнітно-резонансна томографія, рентгенівське, флуоресцентне та ультразвукове картування). Але нещодавно вчені розробили метод фотоакустичної томографії і успішно застосували його в спостереженні за мікрокапсулами, наповненими сферичними мікроботами.
Лі Дай Ван (Lidai Wang) з колегами з Міського університету Гонконгу надрукував мікроракету з трьома соплами для збільшення ефективності руху на основі світла. Для перевірки роботи в природних умовах вчені запустили мікророботів у модельні гумові судини, наповнені гліцерином і бичачою кров'ю, а також у вухо анестезованої миші. Така мікроракета може розігнатися до 2,8 міліметрів на секунду і обертатися зі швидкістю 138 градусів на секунду.
Вчені отримали мікрометрових роботів за допомогою літографії з фоторезиста SU-8, затоговки потім покривали шаром золота. Для визначення місця розташування мікроракети автори використовували лазерне випромінювання з довжиною хвилі в 532 нанометри, яке при попаданні на мікроракету збуджує акустичні сигнали, які завдяки золоту значно контрастують з навколишнім середовищем.
Пересування мікроракети здійснюється за рахунок фототермального механізму: під пучком лазерного випромінювання 808 нанометрів шар золота генерує тепло. У підставі мікроракети більше золота, відповідно температура основи буде більше температури вершини, через що і виникає ефект термофорезу.
Щоб обґрунтувати вибір форми, вчені зробили ще два мікророботи (мікростержень і мікротрубку) і влаштували між ними змагання зі швидкості. Мікротрубка рухалася швидше мікростержня через наявність сопла, яке додає до термофорезного ефекту значний тепловий потік всередині порожнини. Мікроракета, таким чином, виявилася швидшою за мікротрубку за рахунок трьох сопел.
Автори простежили за переміщенням мікророботів у 50-відсотковому розчині гліцерину під випромінюванням 808-нанометрового лазера - за одну секунду мікроракета подолала 777,4 мікрометра, мікростержень - приблизно 100 мікрометрів, мікротрубка - 260 мікрометрів. Біоінженери вибрали 50-відсотковий розчин гліцерину через його в'язкість (4,21 мікропаскаль на секунду), близької до в'язкості людської крові (3-4 мікропаскаль на секунду). При збільшенні потужності лазера з 1 ватта до 1,5 ватт середня швидкість мікроробота збільшилася і досягла позначки в 2,8 міліметра в секунду - за одну секунду проходила відстань в 62 рази більше довжини мікроракети.
Для керування ракетою вчені наводили лазер на одну з її бічних трубок, і через асиметрію мікроробот повертався в зворотний бік. Таким чином мікроракета за 1,1 секунди повернулася на 152 градуси. Якщо ж наводити лазер на всю основу, то мікроракета буде продовжувати рух прямо. Таке управління дозволить здійснювати точкове біомедичне лікування.
Щоб змоделювати рух мікроробота в статичній кровоносній судині, вчені використовували гумову мікротрубку з діаметром 250 мікрометрів, заповнену 50-відсотковим розчином гліцерину. У такій системі мікроракети переміщалися із середньою швидкістю 225,3 мікрометра на секунду - автори зазначають, що це рекорд для 50-мікрометрових мікророботів у в'язкій трубці. Біоінженери провели досвід детектування мікроракети в крові бика за допомогою фотоакустичного мікроскопа - на оптичному мікроскопі кров закрила собою мікророботів, але акустичний сигнал від мікроракет відрізнявся на третину від фону крові.
Кров'яні судини в живих організмах покриті тканинами, що може позначитися на потужності лазерного випромінювання. Щоб це перевірити, вчені помістили мікроракети в тканини мишиного вуха і успішно їх виявили - контраст з навколишнім середовищем виявився ще більшим. Вчені вважають, що у цього може бути дві причини: мікроракети потрапили у фокус фотоакустичного зонда при експерименті в мишиному вусі, на відміну від покриття бичачою кров'ю, а також товстий шар бичачої крові послабив падаючий лазерний промінь.
І хоча говорити про впровадження таких роботів у сучасне лікування людини ще рано з багатьох причин (наприклад, розміри мікроракети не дозволяють переміщатися по артеріях і капілярах або лазер своїм потужним випромінюванням призводить до руйнування тканин), вже виконана значна робота в ефективності руху і детектування одиночних мікророботів. Два роки тому американські вчені сконструювали мікроробота із золота і мембран еритроцитів і тромбоцитів, який здатний захоплювати небезпечні бактерії. Керувати таким роботом дослідники пропонують за допомогою ультразвуку.