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科学家们创造出可以由磁铁控制的灵活的生物相容性纤毛

巴西圣保罗州坎皮纳斯大学化学研究所 (IQ-UNICAMP) 的研究人员开发了一种无模板技术来制造不同大小的纤毛,这些纤毛模仿生物功能并具有多种应用,从将流体导入微通道到例如,将材料加载到单元格中。高度灵活的纤毛基于聚合物涂层的氧化铁纳米粒子,它们的运动可以由磁铁控制。

在自然界中,纤毛是在某些细胞表面大量发现的微小毛发状结构,在周围流体中产生电流,或者在某些原生动物和其他小生物中,提供推进力。

为了在不使用模板的情况下制造细长的纳米结构,Watson Loh 和博士后研究员 Aline Grein-Iankovski 在氧化铁颗粒(γ-Fe 2 O 3,称为磁赤铁矿)上涂上了一层含有热响应性膦酸基团的聚合物和定制-由专业公司合成。该技术利用膦酸基团与金属氧化物表面的结合亲和力,通过温度控制和磁场的使用来制造纤毛。

“这些材料在室温或附近不会结合,并在没有磁场刺激的情况下形成团块,”Loh 解释说。“正是磁场的作用使它们具有纤毛的细长形状。”

Grein-Iankovski 从溶液中的稳定颗粒开始,并在尝试聚集材料的过程中获得了纤毛。“我在溶液中准备松散的细长丝,并考虑改变方向场,”她回忆道。“我没有将它们平行于载玻片定向,而是将它们放置在垂直位置,然后发现它们往往会迁移到玻璃表面。我意识到如果我强迫它们粘在玻璃上,我可以获得不同的一种不会松散的材料:它的运动是有序的和协作的。”

当混合物被加热并暴露在磁场中时,热敏聚合物结合到纳米颗粒的表面并将它们组织成细长的细丝。转变发生在生物相容的温度(约 37 °C)。她补充说,由此产​​生的磁性纤毛“非常灵活”。通过增加纳米颗粒的浓度,它们的长度可以从 10 到 100 微米不等。一微米 (μm) 是百万分之一米。

“不使用模板的优点是不受这种方法的限制,例如大小,”Grein-Inakovski 解释说。“在这种情况下,要生产非常小的纤毛,我们必须创建带有微孔的模板,这将非常费力。调整涂层密度和纤毛大小需要新模板。每个最终产品必须使用不同的模板厚度。此外,使用模板为纤毛的生产增加了另一个阶段,即模板本身的制造。”

Grein-Iankovski 是发表在The Journal of Physical Chemistry C上的一篇关于该发明的文章的主要作者,该文章是 FAPESP 支持的专题项目的一部分,Loh 是首席研究员。

“主题项目涉及四个小组,他们正在研究分子和粒子如何在胶体水平上组织,这意味着在非常小的结构水平上。我们的方法是试图找到控制这些分子的方法,以便它们响应于外部刺激,产生具有不同用途的不同形状,”Loh 说。

可逆性

移除磁场后,材料会保持聚集状态至少 24 小时。然后它以取决于制备温度的速度分解。“温度越高,这种效应就越强烈,它在磁场外聚集的时间也就越长,”Grein-Iankovski 说。

根据 Loh 的说法,材料的可逆性是一个积极的点。“在我们看来,能够组织和解散材料,'打开和关闭系统',是一个优势,”Loh 说。“我们可以调节温度、保持聚合的时间、纤毛长度和涂层密度。我们可以为许多不同类型的用途定制材料,为特定目的组织和塑造它。我相信潜在的应用是无数的,从生物到物理用途,包括材料科学应用。”

Grein-Iankovski 补充说,另一个主要优势是可以在外部操纵材料,而用于操作的工具不在系统内部。“这些细丝可用于在流体微系统、微通道中均匀化和移动粒子,只需从外部接近磁铁。例如,它们可以通过这种方式引导流体。”

纤毛也可用于传感器,其中粒子对来自分子的刺激做出反应,或喂养微观生物。“最终有可能用松散的纤毛喂养微生物或细胞,纤毛在某些条件下穿过细胞膜。它们可以进入细胞,并施加磁场来操纵它们在细胞内的运动,”Loh 说。

十多年来,Loh 与巴黎狄德罗大学(法国巴黎 7 号)的让-弗朗索瓦·贝雷 (Jean-François Berret) 合作研究同一系列聚合物,以获得用于生物医学领域的细长材料。“我们正在寻求其他合作伙伴关系,以探索纤毛的其他可能用途,”他说。

科学家们现在计划在纳米结构中加入一种化学添加剂,以化学方式结合颗粒,获得具有更高机械强度的纤毛,如果需要的话,纤毛在不暴露于磁场时仍能保持更长时间的功能。

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