Nanorrobôs e outros mini-veículos podem ser capazes de realizar serviços importantes na medicina um dia - por exemplo, conduzindo operações controladas remotamente ou transportando agentes farmacêuticos para um local desejado no corpo. Contudo, até o momento, tem sido difícil orientar tais micro e nano nadadores com precisão através de fluidos biológicos, como sangue, líquido sinovial ou dentro do globo ocular. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart agora apresentam duas novas abordagens para a construção de sistemas de propulsão para corpos flutuantes minúsculos. No caso de um motor, a propulsão é gerada por bolhas que oscilam pelo ultrassom. Com o outro, uma corrente causada pelo produto de uma reação enzimática impulsiona um nanowimmer.

Aviões a jato abriram caminho. Eles queimam combustível, ejete os produtos da combustão em uma direção e, como resultado, mova-se na direção oposta. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart o fazem de maneira muito semelhante - embora em uma escala muito menor. Seu nanorrobô subaquático é um nanotubo de parede única feito de dióxido de silício, meros 220 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro. Uma partícula dessa natureza normalmente não seria capaz de se propelir em fluidos. Os cientistas, portanto, revestiram apenas a superfície interna ou interna e também a externa ou do nanotubo com a enzima urease, que decompõe a ureia em amônia e dióxido de carbono.

Se um nanotubo preparado desta forma for introduzido em um fluido contendo uréia, esta ureia é decomposta na parede interna revestida de urease. Os produtos da reação geram uma corrente no fluido que os impulsiona para fora do tubo como um jato. Como tal, um nanoswimmer ou é mais fino em uma extremidade do que na outra ou a ureia não é distribuída homogeneamente sobre sua superfície, isso resulta em um impulso, de modo que o micro-nadador experimenta a propulsão na direção oposta - como em um avião a jato. Os nanojatos alcançaram velocidades de 10 micrômetros por segundo, ou seja, quase quatro centímetros por hora.

O menor motor a jato do mundo

Na verdade, revestir um nanorrobô para obter um impulso químico não é nenhuma novidade. Contudo, o tubo agora apresentado, com sua abertura de 220 nanômetros, representa o menor sistema de propulsão a jato construído até agora no mundo. "Nosso recorde anterior, que ainda está no Livro de Recordes do Guinness, era cerca de três vezes maior ", explica Samual Sanchez, que lidera o Grupo Smart NanoBioDevices no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart e, ao mesmo tempo, é professor no Instituto de Bioengenharia da Catalunha em Barcelona.

E há outro novo aspecto do nanojato que os cientistas do Harbin Institute of Technology em Shenzhen, na China, também ajudaram a desenvolver:pela primeira vez, todos os materiais e parceiros de reação usados ​​são totalmente biocompatíveis. "As movimentações químicas anteriores desse tipo eram geralmente baseadas em um catalisador metálico na superfície do qual o peróxido de hidrogênio era decomposto em moléculas de hidrogênio e oxigênio", diz Sanchez. Bolhas de oxigênio são criadas no processo, o que cria um impulso na direção oposta. Tanto o peróxido de hidrogênio quanto as bolhas de gás teriam desvantagens se usados ​​no corpo humano. Mas este não é o caso da versão revestida de urease com seus produtos de reação solúveis em água - e, portanto, sem bolhas. "A urease ocorre de qualquer maneira no organismo humano", Sanchez explica.

Os pesquisadores agora querem testar a biocompatibilidade com mais precisão - e no processo examinar se eles podem ter sucesso na implantação de tais microtubos em células individuais. "Isso seria necessário, claro, a fim de trazer moléculas de drogas ao seu destino, por exemplo", diz Sanchez.

Bolhas oscilantes fornecem impulso

Embora as bolhas de gás ainda fossem indesejadas na abordagem especificada, eles formam a peça central de um princípio inteiramente novo de propulsão para minirobos, quais colegas do Instituto na Micro, Nano and Molecular Systems Group liderado por Peer Fischer propõe. Contudo, aqui, as bolhas de gás não estão borbulhando livremente através do fluido e, portanto, não podem causar danos ao organismo. Em vez, os pesquisadores encerram as microbolhas em pequenas câmaras cilíndricas ao longo de uma tira de plástico. Para fornecer a unidade, Portanto, as bolhas de gás se expandem e contraem ciclicamente porque o ultrassom as faz oscilar. Como as bolhas pulsantes estão em câmaras abertas de um lado, eles apenas se expandem por meio dessa abertura. No processo, eles exercem uma força na parede oposta da câmara que impulsiona a tira de plástico. A fim de alcançar a propulsão, vale a pena mencionar, os pesquisadores organizaram várias câmaras com bolhas de ar em paralelo em sua tira de polímero.

Um aspecto notável:a frequência da onda sonora necessária para fazê-los oscilar depende do tamanho das pequenas bolhas. Quanto maiores as bolhas, quanto menor for a frequência de ressonância correspondente. Os pesquisadores usaram essa conexão para fazer o nadador girar alternadamente no sentido horário e anti-horário. Para fazer isso, eles colocaram bolhas de tamanhos diferentes nas duas metades dos quatro, faces cubóides longas divididas longitudinalmente. Duas frequências de som diferentes foram então usadas em um líquido para que cada uma fizesse todas as bolhas de um tamanho oscilar. Desta maneira, os cientistas geraram impulsos exclusivamente na metade da face cubóide, o que a fez girar em seu próprio eixo. Este pequeno motor de rotação acusticamente acionado com áreas longitudinais de cinco milímetros quadrados de tamanho alcançava até mil rotações por minuto no processo.

Uma possibilidade para dirigir mini-nadadores

"A variação no tamanho das bolhas permite que um mininadador se dirija deliberadamente em diferentes direções", disse Tian Qiu, que também conduz pesquisas no Instituto Max Planck em Stuttgart e desempenhou um papel apreciável no estudo. De acordo com Qiu, um outro benefício do novo princípio de propulsão é que mesmo nadadores com uma estrutura geométrica complicada podem ser revestidos com tiras finas junto com câmaras para as bolhas. Ele prossegue explicando que o uso do ultrassom também é adequado para meios opticamente impenetráveis, como o sangue. Ondas de luz, que também são um instrumento de controle potencial para micro-drives, não pode alcançar nada neste caso. Os pesquisadores agora querem usar testes em meios biológicos reais para verificar se o novo princípio de acionamento também é capaz de tirar o máximo proveito de suas vantagens na prática.