Исследователи создали биосовместимых полностью водных «Акваботов»
Мягкие роботы значительно продвинулись в последние годы. Микроскопические мягкие роботы, предназначенные для навигации по сложным путям и выполнения биологических функций в теле человека, могут иметь огромный потенциал для биомедицинских применений, таких как хирургия, протезирование и обезболивание.
В настоящее время функционализация биоинспирированных мягких роботов основана на эластомерных материалах, таких как силиконовый гель, что требует введения громоздких компонентов и многоэтапной обработки. Они имеют серьёзные ограничения по степени деформируемости по сравнению со своими природными биологическими аналогами.
Команда под руководством профессора Андерсона Х.К. Шума из Департамента машиностроения Гонконгского университета (HKU) и профессора Томаса П. Рассела из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли изобрела полностью водную роботизированную систему, которая решает эти ограничения за счёт революционных научных достижений.
Они создали «Акваботы» — новый класс ультрамягких жидких роботов, состоящих преимущественно из воды. Микроскопические сосудистые структуры печатаются с помощью технологии 3D-печати «все из жидкости» с использованием межфазной сборки водной двухфазной системы, которая помогает разделить два различных водорастворимых полимера.
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano. Аквабот с его микрометровыми многокомпартментными структурами изображён на дополнительной обложке журнала.
«Наша идея заключалась в том, чтобы собрать материалы таким образом, чтобы граница раздела и структура повторяли форму жидкостей. Формы диктуются внешними силами, такими как магнитные силы, и образуют произвольные формы, или создаются с помощью полностью жидкой 3D-печати», — отметили профессора Шум и Рассел.
Хотя формы можно создавать с помощью полностью жидкой 3D-печати, многокомпартментные строительные блоки Акваботов имеют микрометровый масштаб и находятся за пределами разрешения печати. Они самоорганизуются посредством водного фазового разделения, когда одна гомогенная смесь даёт две жидкие фазы. Это помогает создавать строительные блоки Акваботов, преодолевающие препятствие деформируемости.
Мембрана этих структур легко функционализируется, что является ключевым для различных фармацевтических применений.
«Внешняя сторона компартментных мембран легко функционализируется, например, путём связывания ферментов, каталитических наночастиц и магнитных наночастиц, которые придают чувствительный магнитный отклик», — сказал профессор Рассел.
Функционализация способствует эффективному катализу и каскадным реакциям. В исследовании команда продемонстрировала, что Акваботы, функционализированные ферментом глюкозооксидазой, могут проводить каскадные реакции.
Акваботы плавны в движениях. Они обладают мягкой тактильной природой, способностью загружать активные ингредиенты (например, лекарства, катализаторы, ферменты и т.д.) и манипуляционные компоненты (например, магнитные наночастицы) как внутри структуры, так и на её мембране. Они могут легко инкапсулировать лекарства благодаря своим биоинспирированным компартментным структурам и перемещаться по узким и извилистым пространствам для доставки лекарств в теле человека.
Акваботы также могут менять форму, чтобы соответствовать разным размерам и захватывать объекты. Деформируемость обычно была проблемой для учёных и медиков, так как иногда роботы застревали на полпути, прежде чем достичь целевых участков во время доставки лекарств.
«Роботы полностью водные, с водой внутри и снаружи. Их легко сделать биосовместимыми с помощью функционализации, поэтому нетрудно представить их широкое био-применение, например, внутри тела, где такие конструкции могут быть полезны», — сказал профессор Рассел.
«Таким образом, Акваботы создают новые возможности для воспроизведения биоинспирированных материалов и свойств, таких как динамическая проницаемость и компартментализация», — добавил профессор Рассел.
Исследователи оптимистично полагают, что Акваботы, продемонстрировавшие биосовместимость, многокомпартментность и многофункциональность, могут проложить путь для развития обширных реальных биомедицинских применений, включая медицинскую микроманипуляцию, целевую доставку грузов, тканевую инженерию и биомиметику.
Команда также планирует включить биосовместимые и биодеградируемые гидрогели в сборку Акваботов. Полностью обратимые изменения формы потенциально могут быть достигнуты благодаря адаптивной природе гидрогелей.
«В нашей следующей работе стоит изучить другие свойства и функции, обеспечиваемые платформой Аквабот, в дополнение к механическому манипулированию и химическим реакциям, продемонстрированным в статье», — сказал профессор Шум.
«Например, мы пытаемся сделать Акваботы электропроводными, интегрируя водорастворимые проводящие полимеры. Было бы интересно объединить это с другими микрофлюидными и роботизированными подходами для новых применений, таких как создание биологических электрических цепей и логически ион-селективных каналов», — добавил он.