Des microalgues magnétiques en mission pour devenir des robots
Un potentiel passionnant pour les innovations futures dans le domaine de la biomédecine et au-delà
Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont mis au point une microalgue verte unicellulaire recouverte d'un matériau magnétique. Ce robot miniature a été mis à l'épreuve : la microalgue recouverte d'un matériau magnétique serait-elle capable de nager dans des espaces étroits et, de surcroît, dans un fluide visqueux qui imite ceux que l'on trouve dans le corps humain ? Le petit robot serait-il capable de se frayer un chemin dans ces conditions difficiles ?
L'équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) de Stuttgart a mis au point un micro-nageur biohybride recouvert d'un matériau magnétique, dont la capacité de nage n'est en grande partie pas affectée par le revêtement. L'équipe du département d'intelligence physique du MPI-IS a publié ses travaux dans la revue "Matter", qui couvre un large éventail de recherches en science des matériaux.
Dans la nature, les microalgues unicellulaires d'une taille de dix microns sont de fantastiques nageuses, propulsées par leurs deux flagelles en forme de fouet à l'avant. Toutefois, on ne savait pas exactement ce qui se passerait si les scientifiques recouvraient les algues d'une fine couche de chitosane, un polymère naturel (pour une bonne adhérence), mélangé à des nanoparticules magnétiques. Le minuscule nageur serait-il toujours capable de se frayer un chemin dans des espaces restreints et, comme si cela ne suffisait pas, de se faufiler dans un liquide visqueux d'une densité similaire à celle du mucus ?
Les scientifiques ont constaté que leurs micro-nageurs à base d'algues vertes étaient à peine affectés par la charge supplémentaire. Grâce à leurs flagelles, qui effectuent un mouvement de brasse, les algues se sont catapultées vers l'avant comme une balle lancée à toute allure. Malgré le revêtement, elles ont conservé leur vitesse de nage après la magnétisation, affichant une vitesse moyenne de 115 micromètres par seconde (environ 12 longueurs de corps par seconde). À titre de comparaison, un nageur olympique comme Michael Phelps peut atteindre une vitesse de 1,4 longueur de corps par seconde. Notez que l'algue n'est qu'une cellule sans jambes ni pieds.
Birgül Akolpoglu et Saadet Fatma Baltaci, qui ont codirigé l'étude, sont des scientifiques du département d'intelligence physique du MPI-IS. Il y a quelques années, ils ont étudié comment des micro-nageurs à base de bactéries pouvaient être contrôlés magnétiquement dans des espaces fluidiques pour des applications d'administration de médicaments. Aujourd'hui, ils se sont intéressés aux microalgues. Leur objectif était de fonctionnaliser la surface de ces organismes unicellulaires à l'aide d'un matériau magnétique afin qu'ils puissent être dirigés dans n'importe quelle direction, transformant ainsi les microalgues en microrobots.
L'enrobage des cellules n'a pris que quelques minutes et, au final, neuf algues sur dix ont été recouvertes avec succès de nanoparticules magnétiques. L'équipe a d'abord testé son robot biohybride dans un liquide aussi fin que l'eau. En utilisant des champs magnétiques externes, ils ont pu contrôler la direction dans laquelle les microalgues nageaient. Les chercheurs ont ensuite dirigé leur robot le long de cylindres miniatures imprimés en 3D, créant ainsi un environnement très confiné dont la plus grande dimension était à peine trois fois supérieure à la taille des minuscules microalgues. Pour vérifier si le pilotage était efficace, l'équipe a mis en place deux systèmes différents : l'un avec des bobines magnétiques et l'autre avec des aimants permanents autour de leur microscope. Ils ont créé un champ magnétique uniforme et en ont modifié la direction à plusieurs reprises.
"Nous avons découvert que les biohybrides de microalgues naviguent dans des microcanaux imprimés en 3D de trois manières : en revenant en arrière, en traversant et en traversant magnétiquement. Sans guidage magnétique, les algues restaient souvent bloquées et revenaient au point de départ. Mais avec le contrôle magnétique, elles se déplaçaient plus facilement, en évitant les limites", explique Birgül Akolpoglu, coauteur de la publication, à propos de leur étude de validation de principe. "Le guidage magnétique a aidé les biohybrides à s'aligner sur la direction du champ, montrant un réel potentiel de navigation dans les espaces confinés - un peu comme si on leur donnait un petit GPS !
Dans une étape suivante, l'équipe a augmenté la viscosité du fluide et a envoyé ses microrobots dans les canaux étroits.
"Nous voulions tester les performances de nos nageurs dans un liquide similaire au mucus. Nous avons constaté que la viscosité affecte la façon dont les biohybrides microalgaux nagent. Une viscosité plus élevée les ralentit et modifie la façon dont ils avancent. Lorsque nous avons appliqué le champ magnétique, les nageurs ont oscillé, avançant en zigzag. Cela montre comment un réglage fin de la viscosité et de l'alignement magnétique peut optimiser la navigation des microrobots dans des environnements complexes", ajoute M. Baltaci.
"Notre objectif est d'utiliser les microrobots dans des environnements complexes et de petite taille qui sont très confinés, comme ceux que l'on trouve dans nos tissus. Nos résultats ouvrent la voie à des applications telles que l'administration ciblée de médicaments, offrant une solution biocompatible pour les traitements médicaux avec un potentiel passionnant pour les innovations futures en biomédecine et au-delà", conclut l'équipe.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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