Controle de rotação:o formato da hélice ajuda a direcionar as nanopartículas, dizem os pesquisadores
Fabricação e projeto de hélices. A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de múltiplas hélices impressas em 3D com Ni de 10 nm e Pt de 25 nm. O uso da impressão 3D permite o controle da forma para projetos de prototipagem rápida, por exemplo, hélices com diferentes números de aletas. A barra de escala é 10 µm. B) Imagem SEM de maior ampliação de uma aleta de hélice ilustrando revestimento uniforme de platina. A barra de escala é 400 nm. C) Vistas superior e lateral do modelo CAD para impressão 3D de hélices otimizadas com seis aletas, passo de aleta de 20° e espessura de 3,3 μm. D) Modelo de simulação de vistas superior e lateral de uma hélice construída a partir de contas interligadas, onde H é a altura da hélice, W é a largura e θ é o ângulo de inclinação das aletas. A hélice compreende esferas C catalíticas e N não catalíticas com seu vetor de orientação, û, definido na direção da parte N para C na hélice. Crédito:Pequeno (2023). DOI:10.1002/smll.202304773 As nanopartículas autopropelidas poderiam potencialmente avançar na distribuição de medicamentos e nos sistemas lab-on-a-chip – mas são propensas a se tornarem desonestas com movimentos aleatórios e sem direção. Agora, uma equipa internacional de investigadores desenvolveu uma abordagem para controlar as partículas sintéticas.
Liderada por Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Professor Catedrático de Engenharia Biomédica, Química e Matemática na Penn State, a equipe redesenhou as nanopartículas em formato de hélice para controlar melhor seus movimentos e aumentar sua funcionalidade. Eles publicaram seus resultados na revista Small .
Devido aos desafios de fabricação, o formato das nanopartículas foi anteriormente limitado a bastões e donuts, de acordo com Ashlee McGovern, estudante de doutorado em química na Penn State e primeiro autor do artigo. Com uma máquina nanoscribe que pode imprimir em 3D em nanoescala no Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State, McGovern fez experiências para otimizar o formato das nanopartículas. Ela redesenhou o formato das partículas para uma hélice, que pode girar com eficiência quando acionada por uma reação química ou campo magnético.
O formato da hélice emprega quiralidade, semelhante a um parafuso ou escada em espiral, onde a face superior é espelhada pela face inferior. Uma nanopartícula em forma de hélice gira no sentido anti-horário, desencadeada por uma reação química com peróxido de hidrogênio, seguida por um movimento ascendente, desencadeado por um campo magnético. A forma otimizada destas partículas permite aos investigadores controlar melhor os movimentos das nanopartículas e recolher e mover partículas de carga. Crédito:Laboratório de Biomateriais Ativos “A forma predetermina como uma partícula se moverá”, disse McGovern. "A quiralidade, ou lateralidade, como característica de design não tem sido utilizada o suficiente na pesquisa de nanopartículas e é uma forma de fazer as partículas se moverem de maneiras cada vez mais complexas."
A forma quiral permite que as partículas se movam em uma direção prescrita e, dependendo da inclinação das lâminas, girem no sentido horário ou anti-horário no lugar, alimentadas por uma reação química entre os metais das nanopartículas e o peróxido de hidrogênio.
Depois de experimentar diferentes números e ângulos de aletas, bem como diferentes espessuras, os pesquisadores descobriram que o uso de quatro ou mais aletas com inclinação de 20 graus e espessura de 3,3 mícrons permitiu maior estabilidade. Com três ou menos aletas, as hélices apresentam movimento descontrolado.
O aumento do controle permitiu aos pesquisadores manipular as partículas para capturar e transportar partículas de carga de polímero.
“Usando um campo magnético, podemos orientar as microhélices para caçar e coletar partículas de carga”, disse McGovern. "As nanopartículas em forma de bastão e donut do nosso laboratório pegariam acidentalmente carga, mas não de forma controlada."
Para controlar ainda mais os movimentos das partículas, os pesquisadores manipularam a direção de rotação das microhélices.
“Com os fluxos integrados que as partículas criam, podemos controlar as interações partícula a partícula entre as duas hélices”, disse McGovern. "Mudar o sentido de rotação do sentido anti-horário para o sentido horário e vice-versa permite que duas hélices se atraiam ou se repelam." Da esquerda para a direita: Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Professor Catedrático de Engenharia Biomédica, Química e Matemática, e Ashlee McGovern, estudante de doutorado em química e primeira autora do artigo. Crédito:Kate Myers/Penn State Aronson, que dirige o Laboratório de Biomateriais Ativos no qual McGovern trabalha, enfatizou o alcance futuro desta pesquisa.
"Usando respostas mecânicas, magnéticas e químicas personalizadas, podemos exercer mais controle do que nunca sobre essas nanopartículas", disse Aronson. "No futuro, poderemos aproveitar esse controle para aplicar essa tecnologia em conceitos de design para dispositivos em microescala ou microrobótica."
Mais informações: Ashlee D. McGovern et al, Microhélices multifuncionais quirais alimentadas quimicamente para transporte e manipulação de carga, pequenas (2023). DOI:10.1002/smll.202304773 Informações do diário: Pequeno
Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia
