A propulsão acústica de nanomáquinas depende de sua orientação

Uma nanopartícula cônica (cor dourada) em água. A partícula é exposta a uma onda de ultrassom (as setas verdes indicam a direção de propagação da onda). Devido ao impacto do ultrassom na partícula, um campo de fluxo é criado em seu entorno (as setas pretas no fundo mostram a direção e a força do fluxo em várias posições). O campo de fluxo provoca a propulsão da partícula na direção da seta vermelha. Crédito:Münster University – grupo de trabalho Wittkowski.

Nanomáquinas microscopicamente minúsculas que se movem como submarinos com sua própria propulsão – por exemplo, no corpo humano, onde transportam agentes ativos e os liberam em um alvo:o que parece ficção científica, nos últimos 20 anos, tornou-se um fenômeno de crescimento cada vez mais rápido. campo de pesquisa. No entanto, a maioria das partículas desenvolvidas até agora só funcionam em laboratório. A propulsão, por exemplo, é um obstáculo. Algumas partículas precisam ser supridas com energia na forma de luz, outras usam propulsões químicas que liberam substâncias tóxicas. Nenhum destes pode ser considerado para qualquer aplicação no corpo. Uma solução para o problema poderia ser partículas propelidas acusticamente. Johannes Voß e o Prof. Raphael Wittkowski do Instituto de Física Teórica e do Centro de Nanociência Suave da Universidade de Münster (Alemanha) agora encontraram respostas para questões centrais que antes impediam a aplicação da propulsão acústica. Os resultados foram publicados na revista ACS Nano .
As ondas de ultrassom que viajam são adequadas para propulsão

O ultra-som é usado em nanomáquinas acusticamente propelidas, pois é bastante seguro para aplicações no corpo. O autor principal Johannes Voß resume a pesquisa realizada da seguinte forma:"Existem muitas publicações descrevendo experimentos. No entanto, as partículas nesses experimentos foram quase sempre expostas a uma onda de ultra-som estacionária. Isso certamente torna os experimentos consideravelmente mais simples, mas ao mesmo tempo, torna os resultados menos significativos no que diz respeito às possíveis aplicações - porque nesse caso seriam usadas ondas de ultra-som viajantes." Isso se deve ao fato de que as ondas estacionárias são produzidas quando as ondas que viajam em direções opostas se sobrepõem.

O que os pesquisadores também não levaram em conta anteriormente é que nas aplicações as partículas podem se mover em qualquer direção. Assim, eles deixaram de lado a questão de saber se a propulsão depende da orientação das partículas. Em vez disso, eles observaram apenas partículas alinhadas perpendicularmente à onda de ultrassom. Agora, pela primeira vez, a equipe de pesquisadores em Münster estudou os efeitos da orientação usando elaboradas simulações de computador.

Eles chegaram à conclusão de que a propulsão das nanopartículas depende de sua orientação. Ao mesmo tempo, o mecanismo de propulsão acústica nas ondas de ultrassom que viajam funciona tão bem para todas as orientações das partículas – ou seja, não apenas exatamente perpendicular à onda de ultrassom – que essas partículas realmente podem ser usadas para aplicações biomédicas. Outro aspecto que os físicos de Münster examinaram foi a propulsão que as partículas exibiam quando expostas ao ultra-som vindo de todas as direções (ou seja, "ultra-som isotrópico").

Uma base para o passo para a inscrição

"Nossos resultados mostraram como as partículas se comportarão nas aplicações e que a propulsão tem as propriedades certas para que as partículas sejam realmente usadas nessas aplicações", conclui Johannes Voß. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."

The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."

By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." + Explorar mais