Le microalghe magnetiche diventano robot
Un potenziale entusiasmante per le future innovazioni nel campo della biomedicina e non solo
Gli scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems hanno rivestito una microalga verde unicellulare con materiale magnetico. Questo robot in miniatura è stato messo alla prova: La microalga con il suo rivestimento magnetico sarebbe stata in grado di nuotare in spazi ristretti e, come se non fosse già abbastanza impegnativo, in un liquido viscoso come quello presente nel corpo umano? Il piccolo robot sarebbe in grado di orientarsi in queste condizioni difficili?
I ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) hanno sviluppato un microswimmer rivestito di particelle magnetiche la cui galleggiabilità non viene influenzata dal rivestimento. Il team del Dipartimento di Intelligenza Fisica dell'MPI-IS ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista "Matter", che copre un ampio spettro di ricerche sulla scienza dei materiali.
In natura, le microalghe unicellulari sono fantastiche nuotatrici. Due antenne simili a tastoni nella parte anteriore eseguono un movimento di nuoto che spinge la cellula in avanti. Il team dell'MPI-IS ha voluto scoprire cosa succede quando riveste le alghe con il polimero naturale chitosano (per una buona adesione) e nanoparticelle magnetiche. Il nuotatore, delle dimensioni di appena dieci micrometri, sarebbe ancora in grado di farsi strada attraverso spazi ristretti? E sarebbe riuscito - come se la prima sfida non fosse abbastanza grande - a farsi strada attraverso un liquido viscoso con una densità simile alla melma?
Gli scienziati hanno scoperto che i loro micro nuotatori bioibridi non sono stati praticamente influenzati dal rivestimento. Grazie al movimento a rana delle piccole antenne anteriori, le alghe rivestite avanzavano a una velocità di nuoto quasi invariata: raggiungevano i 115 micrometri al secondo - circa 12 lunghezze di corpo al secondo. Per fare un confronto: il campione olimpico Michael Phelps raggiungeva una velocità di 1,4 lunghezze corporee al secondo nei suoi momenti migliori. L'alga, tuttavia, è solo una cellula senza gambe e piedi.
Qualche anno fa, Birgül Akolpoglu e Saadet Fatma Baltaci, che hanno condotto congiuntamente il lavoro di ricerca, hanno studiato come i microcircuiti batterici nei liquidi potessero essere controllati magneticamente, in modo da poter essere utilizzati un giorno come mezzo di trasporto per i farmaci. Ora hanno rivolto la loro attenzione alle microalghe. L'obiettivo dei due ricercatori era quello di funzionalizzare la superficie degli organismi unicellulari con un materiale magnetico, in modo che le cellule potessero essere guidate in qualsiasi direzione desiderata, trasformando così la microalga in un microrobot.
Il rivestimento delle cellule richiedeva solo pochi minuti e funzionava quasi sempre: le donne sono riuscite a rivestire con successo nove alghe su dieci con nanoparticelle magnetiche. Per prima cosa hanno testato il loro robot bioibrido in un liquido sottile come l'acqua. Utilizzando campi magnetici esterni, sono state in grado di guidare i robot in qualsiasi direzione. I ricercatori hanno poi guidato i loro robot lungo minuscoli tubi stampati in 3D, un ambiente altamente confinato largo non più di tre volte le microalghe. Per verificare se il controllo funzionasse anche in questo caso, il team ha allestito due sistemi diversi: uno con bobine magnetiche e uno con magneti permanenti intorno al microscopio. Hanno generato un campo magnetico uniforme e ne hanno cambiato ripetutamente la direzione.
"Abbiamo scoperto che le alghe navigano nei microcanali stampati in 3D in tre modi: movimento all'indietro, attraversamento e attraversamento magnetico. Senza controllo magnetico, le alghe spesso si bloccavano e tornavano al punto di partenza. Con il controllo magnetico, invece, si muovevano in modo più fluido ed evitavano gli ostacoli", spiega Birgül Akolpoglu, primo autore della pubblicazione. "Il controllo magnetico ha aiutato i micro nuotatori ad allinearsi con la direzione del campo. Hanno mostrato un vero potenziale per la navigazione in spazi ristretti - come se fossero dotati di una sorta di piccolo GPS!".
Nella fase successiva, il team ha aumentato la viscosità del liquido e ha inviato nuovamente i microrobot attraverso gli stretti canali.
"Volevamo verificare il comportamento dei nostri nuotatori in un ambiente simile alla melma. Abbiamo scoperto che la viscosità influisce sul galleggiamento delle microalghe. Una viscosità maggiore le rallenta e cambia il loro modo di muoversi. Quando abbiamo applicato il campo magnetico, i nuotatori hanno nuotato avanti e indietro, muovendosi a zig-zag. Questo dimostra come la regolazione fine della viscosità e dell'orientamento magnetico possa ottimizzare la navigazione dei microrobot in ambienti complessi", aggiunge Baltaci.
"La nostra visione è quella di utilizzare i microrobot in ambienti complessi e piccoli, altamente confinati, come quelli che si trovano nei nostri tessuti. I nostri risultati aprono le porte ad applicazioni come la somministrazione mirata di farmaci e forniscono una soluzione biocompatibile per i trattamenti medici con un potenziale entusiasmante per l'innovazione futura nella biomedicina e non solo", conclude il team.
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