На ткани человека регулярно воздействуют различные механические раздражители, которые могут повлиять на их способность выполнять свои физиологические функции, такие как защита органов от травм. Контролируемое применение таких раздражителей к живым тканям в естественных условиях и в пробирке оказалось весьма полезным для изучения условий, которые приводят к заболеваниям.
В Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) исследовательская группа Сельмана Сакара разработала микромашины, способные искусственно стимулировать клетки и микроткани. Эти инструменты, которые получают энергию от искусственных мышц размером с клетку, могут выполнять сложные манипуляционные задачи в физиологических условиях в микроскопическом масштабе.
Инструменты состоят из микроприводов и мягких роботизированных устройств, которые активируются беспроводным способом с помощью лазерных лучей. Они также могут содержать в себе микрожидкостные чипы, то есть их можно использовать для выполнения комбинаторных испытаний, включающих высокопроизводительную химическую и механическую стимуляцию различных биологических образцов. Это исследование было опубликовано в журнале Lab on a Chip.
Совсем как конструктор Lego
Данная идея пришла в головы ученых после наблюдения ими за двигательной системой в действии. «Мы захотели создать модульную систему, основанную на сжатии распределенных приводов и деформации соответствующих механизмов», – отмечает Сакар.
Их система включает в себя сборку различных компонентов гидрогеля, как если бы они были кирпичиками Lego, для формирования гибкого каркаса, а затем создание связей, похожих на сухожилия, между скелетом и микроприводами. Комбинируя кирпичики и приводы различными способами, ученые могут создавать множество сложных микромашин.
«Наши мягкие приводы быстро и эффективно сжимаются, когда активируются с помощью ближайшего инфракрасного света. Как только вся сеть наноразмерных приводов сжимается, она приводит в действие окружающие ее компоненты и начинает питать весь механизм», – заявляет Берна Озкале, ведущий автор исследования.
С помощью этого метода ученые могут удаленно активировать несколько микроприводов в определенных местах – гибкий подход, который дает превосходные результаты. Микроприводы завершают каждый цикл сокращения-ослабления за миллисекунды, причем с большой деформацией.
Помимо ее пользы для фундаментальных исследований, эта технология также смогла найти практическое применение. Например, врачи могут использовать эти устройства в качестве крошечных медицинских имплантатов для механического стимулирования тканей или для активации механизмов доставки биологических агентов по соответствующему требованию.