Sistemi di micro-consegna funzionali per la stampa 3D: Nuoto di Microtori
Nei microtori di nuoto stampati in 3D di forma programmati per il trasporto di agenti passivi e attivi , i ricercatori internazionali esplorano le sfide nel mimare i “comportamenti di nuoto unici” dei microrganismi, ai fini della microfabbricazione. Con la stampa 3D su nanoscala, tuttavia, sono stati in grado di progettare tori microscopici per il trasporto di materia biologica.
I sistemi di materia attiva stanno diventando più interessanti per i ricercatori come argomento di studio, ma per essere funzionali devono essere in grado di adattarsi al loro ambiente, devono essere capaci di comportamenti complessi e funzionare come nuotatori automotori.
“I sistemi batterici mostrano un’ampia varietà di comportamenti complessi, incluso l’allineamento spontaneo in presenza di gradienti chimici e l’alterazione delle proprietà reologiche del fluido”, hanno affermato i ricercatori. “La traduzione di questi comportamenti complessi in sistemi artificiali è particolarmente interessante per le applicazioni nel trasporto di fluidi, miscelazione su piccola scala e consegna mirata del carico, ma è difficile a causa delle intrinseche limitazioni della nanofabbricazione”
Molti dei costrutti più semplici finora hanno dimostrato di essere inferiori in termini di nuoto e altri comportamenti, rendendo evidente che devono essere fatti passi da gigante prima che tali particelle diventino una realtà funzionale per gli scienziati. In questo progetto, i ricercatori hanno creato tori di nuoto manipolati da un campo magnetico. Questi costrutti erano in grado di trasportare quanto segue:
Altri nuotatori artificiali
Nanorods bimetallici
Particelle colloidali passive
Hanno creato un modello indipendente di meccanismo idrodinamico e di propulsione “per tenere conto dei nuovi fenomeni emergenti nel nuoto dei microtori vicino ai confini”, oltre a individuare gli elementi necessari per il nuoto: velocità di scorrimento autoindotte attraverso la superficie e potenziali elettrostatici. Ciò ha lasciato il team aperto alla sperimentazione ulteriore con meccanismi alternativi, con risultati rilevanti per altri sistemi biocompatibili come gli enzimi montati e la luce.
Usando la litografia a due fotoni, i ricercatori hanno stampato in 3D strutture programmabili, con tori entrambi alimentati chimicamente e impregnati di caratteristiche su scala nanometrica. Il team di ricerca spiega nel loro articolo che i tori erano o smaltati o Janus o chiazzati.
“In presenza di perossido di idrogeno, i tori iniziano istantaneamente a librarsi sopra la superficie a causa della propulsione autoelettroforetica. A causa dell’instabilità della carica, cioè delle cariche di superficie mobili derivanti dall’autoelettroforesi, i tori spezzano spontaneamente la simmetria e si inclinano ad un angolo stabile. I tori poi scivolano sulla superficie; alla fine organizzarsi in cluster dinamici che nuotano in tre dimensioni “, hanno spiegato gli autori.
“L’aggiunta di campi esterni e gradienti chimici più complessi può essere utilizzata per guidare indirettamente e direttamente i nuotatori autonomi. Il tori potrebbe quindi essere diretto a consegnare carichi viventi, come le cellule, in siti specifici per la terapia cellulare; o organizzare collettivamente i tori per dirigere il loro flusso per il trasporto e lo smistamento cellulari. “
Stati collettivi a – b Immagini di cluster Janus tori orientati orizzontalmente e verticalmente. Le particelle di Janus orientate orizzontalmente formano ammassi dinamici e instabili. I dimeri orientati verticalmente nuotano in tre dimensioni. c Un’immagine di tori a grappolo (intinto) attivo a grappolo. Il polimero è trasparente e le macchie metalliche si riflettono brillantemente in bianco. I tori intinti si attaccano alle particelle vicine sul cappuccio catalitico. Tutte le barre della scala sono 6,5 μm. 
Tori con due tipi di rivestimento superficiale. a Immagine di un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (STEM) del toro Janus “smaltato” su una griglia TEM in carbonio. Il cappuccio metallico è stato applicato sulla parte superiore del tori. La barra della scala è di 3 μm. b Immagine SEM di un Janus tori “immerso” su una griglia TEM in carbonio. La parte inferiore del toro è “tagliata” nella parte inferiore per fornire una base stabile durante la stampa e l’evaporazione del metallo. La barra della scala è 2,25 μm. c Un grafico che rappresenta la dipendenza dalla velocità di propulsione dalla concentrazione di perossido di idrogeno. Le barre orizzontali rosse e arancioni sono rispettivamente le velocità di propulsione smaltate e immerse tori (con 40 nm Ni e 10 nm Pt) su un substrato d’oro allo 0% H202. I quadrati verde e giallo sono rispettivamente le velocità di propulsione smaltate e immerse tori (con 40 nm Ni e 10 nm Pt) su un substrato d’oro al 5% di H202. Il diamante verde scuro è la velocità di propulsione dei tori vetrati (con 40 nm Ni e 10 nm Pt) su un substrato di vetro al 10% di H202; e comparativamente, il diamante verde acqua è la velocità di propulsione del tori intinto (con 40 nm Ni e 10 nm Pt) su un substrato d’oro al 10% di H202. I triangoli viola e blu scuro sono, rispettivamente, le velocità di propulsione smaltate (con 40 nm Ni e 10 nm Pt) e tori intinti (con 10 nm Ni e 40 nm Pt) su un substrato d’oro al 15% di H202. I cerchi di magenta, lime e blu ghiaccio sono la velocità di propulsione di 3 micron di diametro tori vetrati, 7 micron di tori vetrificati e 7 micron di tori intinti al 30% di H202. I tre tori hanno un rivestimento di 40 nm Ni e 10 nm Pt. Una legenda completa può essere trovata nella Figura 3 complementare e nella Nota supplementare 2. Le barre di errore rappresentano una deviazione standard unica per quel particolare campione 
Traiettorie di nuoto. a Traiettorie estratte e ricentrate per la traduzione lineare di Janus tori intinto e satinato. b Traiettorie di tori orientati verticalmente in un campo magnetico crescente. Le traiettorie cambiano continuamente da ciclodiale a lineare. Le traiettorie blu sono per 0,8 G; le traiettorie verdi sono per 0,9 G; e le traiettorie rosse sono per 1,0 G 
Trasporto di merci attivo tramite nuoto tori. a Un timelapse che mostra l’attacco idro ed elettrodinamico di un nanorod bimetallico da nuoto a un microtori. La barra della scala è 7 micron. b Un timelapse che mostra un tori di 3 μm di diametro che trasporta numerosi nanorods bimetallici. La barra della scala è di 2,5 micron. c Un fumetto che mostra l’orientamento verticale dei tori micoscopici rispetto ai nanorodi bimetallici vicino alla superficie. I nanorodi bimetallici si allineano lungo le linee fluide autogenerate dei microscopici tori nelle vicinanze. La barra della scala è di 2,5 micron