Нанороботи навчилися рухатися за рахунок ферментів і ультразвуку

Нанороботи - один з багатообіцяючих напрямків в сучасній медицині, вони можуть використовуватися в дистанційно-керованій хірургії і для спрямованої доставки лікарських препаратів в людському організмі. Однак досі не створено достатньо ефективних методів управління рухом нанороботів у біологічних рідинах, таких як кров, синовіальна або внутрішньоочна рідина. У двох свіжих роботах дослідники продемонстрували нові підходи до створення керованих рухових систем для мініатюрних роботів: у першому рух створюється за рахунок ферментативної реакції, другий заснований на управлінні ультразвуком. Описи підходів опубліковані в журналах і.

Принцип роботи ферментативного нанодвигуна той же, що використовується в двигунах реактивних літаків: викидаються продукти горіння задають рух літаку в напрямку, зворотному викидуваному потоку. Мініатюрний двигун являє собою нанотрубку з діоксиду кремнію з діаметром отвору 220 нанометрів, стінки якої покриті уреазою - ферментом, який розщеплює сечовину на вуглекислоту і аміак. Якщо таку нанотрубку помістити в рідину, що містить сечовину, продукти реакції між сечовиною і уреазою створять потік, що надає трубці імпульс: швидкість руху при цьому досягає десяти мікрометрів на секунду, або близько чотирьох сантиметрів на годину.

Новий ферментний двигун - найбільш мініатюрний з відомих аналогів. Розміри попереднього зразка, що потрапив до книги рекордів Гіннеса, втричі більші. Ще одне нововведення нового двигуна - його повна біосумісність. Аналогічні пристрої, як правило, використовують металеві каталізатори, на поверхні яких перекис водню розщеплюється на молекули водню і кисню. І перекис водню, і бульбашки газу небажані в людському організмі. Використання уреази в новому двигуні дозволяє уникнути цієї проблеми - реакція не виробляє бульбашок газу, а фермент уреази міститься в організмі і сам по собі. Дослідники планують вивчити біосумісність нового пристрою більш детально, а також навчитися імплантувати нанороботів у клітини організму - це потрібно, наприклад, для цільової доставки лікарських препаратів.

Хоча бульбашки газу небажані в біологічних рідинах організму, вони стали ключовим компонентом мініроботів, розроблених групою німецьких вчених. Тут бульбашки газу не небезпечні, оскільки вони поміщені в циліндричні камери, розташовані на поверхні робота, і не можуть потрапити в рідини організму. Для приведення робота в рух використовується ультразвук: він змушує бульбашки газу вібрувати, приводячи робота в обертальний рух навколо своєї осі. Частота звукової хвилі, необхідна для вибрації, залежить від розміру бульбашок: чим більший розмір, тим менше повинна бути відповідна частота ультразвуку. Ця залежність використовується для завдання напрямку обертання робота. Бульбашки різних розмірів розміщені на двох сторонах чотирьох граней паралелепіпеда. Керуючи частотою застосовуваного ультразвуку, вчені змушують вібрувати потрібний бік поверхні, що призводить до обертання робота в потрібному напрямку. Такий акустично керований робот може досягати тисячі обертань на хвилину.

Вчені зазначають, що пластинами з бульбашковими камерами можна покрити робота будь-якої геометричної форми, а ультразвукове управління можна використовувати в рідинах, недоступних оптичним системам - наприклад, у крові. Новий підхід протестовано в лабораторних умовах, і наступним кроком вчені планують вивчити його поведінку в клінічних випробуваннях.

Застосування ферментативних реакцій і ультразвуку - не єдині способи дистанційного керування в медицині: нещодавно ми писали про розробку компанії Philips, яка продемонструвала технологію управління складними міні-роботами за допомогою магнітного поля.