Kunstmatige 'haartjes' maken de weg vrij voor kleinschalige toepassingen
Onze onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om ultrakleine kunstmatige trilhaartjes te maken, die gebruikt kunnen worden in microfluïdische apparaten en sensoren.
Trilhaartjes (of cilia) zijn kleine haartjes die in het menselijk lichaam worden gebruikt voor transport en detectie. Veel wetenschappers proberen kunstmatige cilia te maken voor toepassingen in microfluïdische apparaten en sensoren, maar tot nu toe zijn die veel groter dan biologische cilia. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven en de EPFL in Zwitserland hebben dit probleem opgelost door het ontwikkelen van een nieuwe manier om magnetische kunstmatige cilia te maken, waardoor ze dezelfde wendbaarheid en grootte als biologische cilia hebben.
In de biologische wereld zijn cilia de ultieme microbesturingseenheden. Deze piepkleine haartjes zitten op het oppervlak van micro-organismen en helpen hen voort te bewegen door vloeistoffen. Cilia bekleden ook de wanden van onze luchtwegen en transporteren slijm uit onze longen, terwijl cilia in onze nieren als sensoren fungeren.
"Cilia hebben vrij verbluffende capaciteiten, en dit heeft wetenschappers geïnspireerd om kunstmatige tegenhangers te ontwikkelen voor gebruik in medische sensoren die op microfluïdica zijn gebaseerd, of zelfs om microrobots te laten lopen", zegt Jaap den Toonder, hoogleraar bij de faculteit Mechanical Engineering aan de TU/e. Hij is een van de pioniers in het onderzoeksgebied van kunstmatige trilhaartjes. "Maar er zijn problemen, waarvan de belangrijkste te maken heeft met de grootte. Kunstmatige cilia kunnen honderd keer groter zijn dan biologische cilia, waardoor ze niet in kleinschalige toepassingen kunnen worden gebruikt. ”
Doorbraak in fabricage
Om dit probleem op te lossen heeft Den Toonder samen met Tanveer ul Islam (EuroTech postdoctoraal onderzoeker aan de TU/e) en Yves Bellouard (EPFL, Zwitserland) een baanbrekende manier ontwikkeld voor het maken van ultrakleine kunstmatige cilia (lengte 6 micrometer, doorsnede 200 nanometer). De cilia kunnen worden geactiveerd met behulp van een magnetisch veld en kunnen grote en snelle oscillaties vertonen, net als echte cilia. De nieuwe fabricagemethode is gepubliceerd in PNAS.
De cilia zijn gemaakt van een magnetisch elastomeer, dat bestaat uit een aantal magnetische deeltjes gemengd in een polymeermateriaal, en de fabricagemethode bestaat uit twee delen. Eerst worden de magnetische materialen bereid via een zorgvuldig ontworpen chemisch proces, waarna de cilia in een micoscopische proces hun precieze vorm krijgen.
Toepassingen in overvloed
Met deze nieuwe fabricagemethode wordt het mogelijk om cilia te maken die net zo groot zijn als natuurlijke biologische cilia.
"Onze aanpak maakt kleinere, gevoeligere sensoren mogelijk, waarin deze cilia minuscule fluctuaties kunnen waarnemen", zegt Tanveer ul Islam. "En we kunnen deze cilia gebruiken om nauwkeuriger te bestuderen hoe cellen reageren op kleine krachten, wat van groot belang is voor zowel weefselingenieurs als biofysici."
De onderzoekers denken ook verder na over de volgende stappen. "Van onze magnetische cilia op nanoschaal maken we nu dichte tapijten, en vervolgens kweken we cellen op deze cilia. Zo kunnen we bestuderen hoe deze cellen reageren op de subcellulaire krachten die het gevolg zijn van precieze verplaatsingen van de cilia", voegt Den Toonder toe.
Uiteraard kunnen deze magnetische cilia worden gebruikt om de respons van biologische cilia na te bootsen. Onderzoekers beschikken op die manier over een laboratorium op nanoschaal, waarin ze kunnen bestuderen hoe cilia echt werken. "We zijn bijvoorbeeld van plan om een kunstmatige long te maken en te bestuderen hoe onze magnetische cilia slijm van de longen transporteren, en hoe we het proces kunnen beïnvloeden met biochemische middelen", zegt Tanveer ul Islam.
Uitdagingen overwinnen
Bij het ontwikkelen van de nieuwe fabricagemethode stonden de onderzoekers voor twee grote uitdagingen. "Ten eerste moest de aanpak nauwkeurig genoeg zijn om piepkleine cilia te maken met een lengte die ongeveer tien keer groter is dan hun diameter," merkt Tanveer ul Islam op. "Wanneer je op micron- en nanometerschaal werkt, kan dit behoorlijk moeilijk zijn."
De tweede uitdaging betrof het maken van cilia die zowel flexibel als sterk magnetisch waren. "Om de beweging van biologische cilia na te bootsen, moesten onze kunstmatige cilia flexibel zijn", zegt Den Toonder. "Maar we wilden ook op afstand invloed hebben op het gedrag van cilia, en magnetische materialen zijn daar ideaal voor. Natuurlijk reageren deze materialen op externe magnetische velden, maar van cruciaal belang is dat biologische materialen niet worden beïnvloed door magnetische velden. Dat is vooral belangrijk als we onze cilia in biologische omgevingen willen gebruiken."
Financiering
Dit onderzoek wordt gefinancierd door het Eurotech Postdoc fellowship programme en de European Research Council (ERC) Advanced Grant Bio-Plan.
Volledige details artikel
"Highly motile nanoscale magnetic artificial cilia", Tanveer ul Islam, Yves Bellouard, en Jaap den Toonder, PNAS, (2021).
Mediacontact
Het laatste nieuws
