Исследователи разработали гидрогель на растительной основе для создания изменяющих форму навигационных небольших роботов с потенциальным применением в биомедицине, включая проведение медицинских процедур, таких как биопсия, и доставку терапевтического груза к клеткам и тканям.
В отличие от жестких микророботов, мягкие микророботы более благоприятны для тканей, поскольку они могут легко проникать в биологические системы или втискиваться в них. Однако задача заключается в создании мягких микророботов, которые смогут чувствовать окружающую среду и адаптироваться к ней и, поскольку они являются инородными телами, не вызывать иммунный ответ.
Исследователи из Университета Ватерлоо в Великобритании разработали биосовместимый гидрогель на растительной основе для создания навигационных микророботов, способных менять форму в ответ на внешние химические раздражители.
«В моей исследовательской группе мы пытаемся преодолеть старые стереотипы. и новое», — сказал Хамед Шахсаван, автор исследования. «Мы создаем новых микророботов, используя традиционные мягкие вещества, такие как гидрогели, жидкие кристаллы и коллоиды».
Крошечные мягкие роботы длиной максимум 0,4 дюйма (1 см) изготовлены из современных гидрогелевых композитов, включающих экологически чистые наночастицы целлюлозы растительного происхождения. Помимо биосовместимости и нетоксичности, материал является самовосстанавливающимся; его можно разрезать, а затем склеить обратно без клея или других клеящих веществ, чтобы придать ему разные формы для использования в разных приложениях. Гидрогель меняет форму под воздействием химической стимуляции, что позволяет исследователям ориентировать наночастицы целлюлозы по своему желанию и, следовательно, «программировать» изменение формы робота, что является важной способностью мягкого робота.
Исследователи разработали и протестировали двух небольших роботов, чувствительных к pH. Первый был способен захватывать, перемещать и высвобождать мягкие биологические грузы сферической или неправильной формы, вызываемые pH. Второй мог бы переносить легкие грузы через лабиринт посредством дистанционной навигации с использованием магнитного поля, как видно на видео ниже, произведенном Waterloo Engineering. После прохождения лабиринта соляная кислота заставляет робота развернуться и уронить груз.
Профессор Хамед Шахсаван разрабатывает умных программируемых мягких роботов
Исследователи говорят, что pH-чувствительный характер гидрогеля означает, что микророботы могут быть использованы в органах тела с высоким естественным уровнем pH, а также способны переносить кислую среду pH, например, в мочевом пузыре. /p>
Исследователи планируют улучшить свою конструкцию, прежде чем тестировать ее в реальных условиях, в том числе разработать состав гидрогеля с улучшенными механическими свойствами, который обеспечит более высокую несущую способность. Они также планируют миниатюризировать роботов до наноразмеров для использования в терапии или диагностике.
Разработка гидрогеля растительного происхождения знаменует собой отход от гидрогелей, состоящих из природных полимеров, одним из которых является желатин, полученный из тканей животных. В другом недавнем исследовании исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее создали изготовленный в лаборатории гидрогель, который имитирует человеческую ткань, обладает антимикробными свойствами и самовосстанавливается, но не использует продукты животного происхождения.
«Природные гидрогели используются повсюду в обществе – от пищевой промышленности до косметики – но требуют сбора от животных, что создает этические проблемы», – сказала Эшли Нгуен, ведущий автор этого исследования. «Кроме того, материалы животного происхождения проблематичны для использования на людях из-за возникающего отрицательного иммунного ответа».
Вместо этого исследователи UNSW создали свой гидрогель, используя так называемые «триптофановые молнии», или Trpzip, сокращенно цепочки аминокислот с несколькими триптофанами, которые действуют как застежка-молния, способствующая самосборке.
Гидрогель Trpzip от UNSW, который не содержит продуктов животного происхождения. UNSW Сидней
“Мы думаем, что гидрогели Trpzip и подобные ему материалы обеспечат более единообразная и экономически эффективная альтернатива продуктам животного происхождения», — сказал Кристофер Килиан, автор исследования. «Было бы потрясающе, если бы наш материал сократил количество животных, используемых в научных исследованиях».
И исследование Университета Ватерлоо, и исследование UNSW были опубликованы в журнале Nature Communications.
