دانشمندان ریزذرات آلی تولید می کنند که می توانند از طریق مایعات بیولوژیکی و خون محلول به روش های بی سابقه ای هدایت شوند –

تیمی از دانشمندان مؤسسه سیستم‌های هوشمند ماکس پلانک (MPI-IS) و مؤسسه مجاور آن، مکس، در مقاله خود با عنوان «ریزشناگرهای نیترید کربن محور نور با نیروی محرکه در محیط‌های بیولوژیکی و یونی و تحویل دارو بر اساس تقاضا». موسسه تحقیقات حالت جامد پلانک (MPI-FKF)، ریزذرات آلی را نشان می دهد که می توانند از طریق مایعات بیولوژیکی و خون محلول به روشی بی سابقه عبور کنند. حتی در مایعات بسیار شور، ریزشناگرها را می توان با سرعت زیاد توسط نور مرئی، به صورت جداگانه یا به صورت دسته جمعی، به جلو سوق داد. علاوه بر این، آنها تا حدی زیست سازگار هستند و می توانند محموله را در صورت تقاضا حمل و آزاد کنند. در MPI-IS، دانشمندانی از بخش هوش فیزیکی به رهبری متین سیتی و در MPI-FKF، دانشمندانی از گروه نانوشیمی به رهبری Bettina Lotsch مشارکت داشتند.

طراحی و ساخت چنین ریزشناگرهای بسیار پیشرفته تا کنون غیرممکن به نظر می رسید. حرکت توسط انرژی نور توسط نمک های موجود در آب یا بدن مانع می شود. این نیاز به طراحی پیچیده ای دارد که بزرگ کردن آن دشوار است. علاوه بر این، کنترل ربات ها از بیرون چالش برانگیز و اغلب پرهزینه است. جذب کنترل شده محموله و تحویل در محل یکی دیگر از رشته های عالی در زمینه نانورباتیک است.

دانشمندان از یک نیترید کربن دو بعدی متخلخل (CNx) استفاده کردند که می تواند از مواد آلی، به عنوان مثال، اوره سنتز شود. مانند سلول‌های خورشیدی پانل‌های فتوولتائیک، نیترید کربن می‌تواند نور را جذب کند که پس از روشن شدن سطح ذرات، انرژی لازم برای به جلو راندن ربات را فراهم می‌کند.

تحمل یون بالا

فیلیپ پودجاسکی، رهبر گروه در بخش نانوشیمی در MPI-FKF می‌گوید: «استفاده از نور به‌عنوان منبع انرژی نیروی محرکه هنگام انجام آزمایش‌ها در ظرف پتری یا برای کاربردهای مستقیم زیر پوست بسیار راحت است». فقط یک مشکل وجود دارد: حتی غلظت‌های کوچک نمک‌ها حرکت کنترل‌شده با نور را ممنوع می‌کنند. نمک‌ها در همه مایعات بیولوژیکی یافت می‌شوند: در خون، مایعات سلولی، مایعات گوارشی و غیره. – حتی زمانی که غلظت یون‌های نمک بسیار زیاد است. این تنها به دلیل تأثیر متقابل مطلوب عوامل مختلف امکان‌پذیر است: تبدیل انرژی نور کارآمد به عنوان نیروی محرکه، و همچنین ساختار متخلخل نانوذرات، که به یون‌ها اجازه جریان می‌دهد. از طریق آنها، به اصطلاح، مقاومت ایجاد شده توسط نمک را کاهش می دهد. علاوه بر این، در این ماده، نور به تحرک یون ها کمک می کند – باعث می شود ذره حتی سریع تر شود.

تیم با نشان دادن اینکه شناگران به نمک مقاوم هستند، سپس با چالش استفاده از آنها به عنوان حامل مواد مخدر مقابله کردند. Varun Sridhar توضیح می دهد: “این به دلیل تخلخل مواد نیز امکان پذیر است.” او محقق فوق دکترا در MPI-IS و اولین نویسنده این نشریه است. او و تیمش منافذ کوچک شناگران را با داروی ضد سرطان دوکسوروبیسین بارگذاری کردند. این ذرات دارو را مانند یک اسفنج جذب کردند، تا مقادیر بی‌سابقه‌ای بالای 185 درصد از جرم حامل در حالی که به‌طور پایدار به نیترید کربن متصل می‌مانند – حتی بیش از یک ماه. سپس نشان دادیم که آزادسازی کنترل‌شده دارو در مایعی با سطح pH اسیدی. علاوه بر این، ما توانستیم میکروشناگرها را روشن کنیم و در نتیجه دارو را بدون توجه به تغییر PH آزاد کنیم. و حتی زمانی که شناگر تا ظرفیت کامل بارگیری می‌شود، سرعت شناگر به میزان قابل توجهی کاهش نمی‌یابد، که بسیار عالی است. “

توانایی رهاسازی محموله دارو به صورت کنترل شده و کارآمد در مقصد مورد نظر یک چالش است. هنگام مواجهه با شرایط اسیدی، مانند موارد موجود در معده، دارو به سرعت در مقادیر زیاد دفع می شود. با این حال، این سناریویی که معمولاً با تغییرات شدید pH مواجه می‌شود، در سایر قسمت‌های بدن یا در محیط‌های بیولوژیکی یافت نمی‌شود. از این رو، سایر محرک های انتشار خارجی مورد نیاز است.

پودجاسکی توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که نور آبی که نیروی محرکه را فعال می‌کند، به طور همزمان داروی حمل شده را آزاد می‌کند. “این همیشه برای کاربردهای هدفمند مطلوب نیست، زیرا انتشار دارو در تمام مسیری که ذره رانده می شود اتفاق می افتد. در اینجا، قابلیت شارژ ذاتی نیترید کربن جدید ما مطرح می شود: هنگامی که در محیط های کم اکسیژن (هیپوکسیک) روشن می شود. این ماده می تواند شارژ شود و انرژی نور را ذاتاً جمع کند، شبیه به باتری خورشیدی که قبلاً گزارش دادیم. در چنین شرایط هیپوکسیک، یعنی زمانی که ذره باردار می شود، فعل و انفعالات با داروهای جذب شده اصلاح شده و آزادسازی دارو به طور قابل توجهی افزایش می یابد. از این رو، توانایی شارژ نور ماده، که با شرایط هیپوکسیک مشروط است، ناگهان به یک ویژگی حسی برای رهاسازی تبدیل می شود.

این تیم این تعامل را در آزمایشی با سلول های تومور واقعی ثابت کردند. در مقاله خود، دانشمندان نشان می‌دهند که چگونه ذرات نیترید کربن بارگذاری شده با دوکسوروبیسین را در مجاورت سلول‌های سرطانی روشن کردند، چگونه دارو آزاد شده و توسط سلول‌ها جذب می‌شود و منجر به پوسیدگی آنها می‌شود.

متین سیتی می‌گوید: «کار ما نشان می‌دهد که چقدر پتانسیل پیش‌بینی نشده از استفاده از مواد ریزذره‌ای متخلخل، فراوان و متخلخل شناخته شده، به راحتی قابل سنتز، که معمولاً برای کاربرد در فوتوکاتالیز طراحی شده‌اند، به‌عنوان مواد میکروربات‌ها به وجود می‌آید.

“طبیعت مواد آلی متخلخل ذاتاً حجم داخلی و سطح بزرگی را امکان پذیر می کند که فضای زیادی را برای محموله باقی می گذارد، در حالی که بر محدودیت های پیشرانه با نور، که در غیر این صورت در حضور یون ها با آن مواجه می شوند، غلبه می کند. طراحی بیشتر مکان های مولکولی می تواند کنترل بیشتری را امکان پذیر کند. فعل و انفعالات محموله، بدون طراحی شکل خاص یا استفاده از ساختارهای کپسوله سازی، که کنترل آنها دشوار است. در نهایت، به نظر می رسد ایده استفاده از تغییرات خصوصیات حساس محیطی که بر خواص مواد نوری الکترونیکی تأثیر می گذارد، همانطور که توسط توانایی ذاتی شارژ عکس مواد ما ارائه شده است، به نظر می رسد. Bettina Lotsch می گوید: یک مسیر کارآمد برای طراحی نه تنها حامل های قابل کنترل، بلکه نیمه مستقل.

اگرچه ریزشناگرها چشم اندازی از آینده هستند و فقط در بهینه ترین شرایط کار خواهند کرد، تحقیقات پایه ارائه شده در این مطالعه می تواند راه را به سمت مواد کنترل شده با نور و زیست سازگار و همچنین سیستم های نیمه خودمختار هوشمند با کاربردهایی هموار کند. سایر فناوری ها سیتی در پایان می‌گوید: «امیدواریم که بسیاری از ذهن‌های باهوش را برای یافتن راه‌های بهتری برای کنترل میکروربات‌ها و طراحی عملکردی پاسخگو به نفع جامعه ما بیابیم.»