DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51567-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39179567
تاريخ النشر: 2024-08-23
المؤلف: Zhongguo Ren وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
في هذا البحث، يقدم المؤلفون نهجًا جديدًا لتعزيز وظيفة تجمعات الميكروبوتات من خلال تطوير ميكروبوتات نمل مدفوعة بالمغناطيس والضوء. تم تصميم هذه الميكروبوتات باستخدام تقنية بلمرة الفوتونين المرنة، مع دمج مواد مثل الفوتوريسيت المغناطيسي، والهيدروجيل، وجزيئات المعادن النانوية. يسمح هذا التصميم المبتكر للميكروبوتات بتشكيل اتصالات مستقرة وإعادة تكوينها في هياكل متنوعة، متغلبة على التحديات المرتبطة بأنظمة الميكروبوتات التقليدية المعتمدة على القوة، مثل الاتصالات غير المستقرة والاعتماد على المحفزات الخارجية المستمرة.
تظهر الدراسة أن هذه التجمعات من الميكروبوتات يمكن أن تتجمع بشكل انتقائي وقابل للعكس في تكوينات مختلفة، بما في ذلك التجميعات بزاوية 90° و180°. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الميكروبوتات المجمعة القدرة على عبور الفجوات التي تعادل طول جسم واحد والتنقل بشكل تكيفي عبر الضيقات أثناء نقل الحمولة الصغيرة. هذا التقدم يوسع بشكل كبير التطبيقات المحتملة لتجمعات الميكروبوتات في مجالات مثل عبور الفجوات، والتلاعب بالأجسام الصغيرة، وتوصيل الأدوية، مما يعزز من فائدتها في المهام المعقدة التي تتطلب عملًا منسقًا.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم. تشمل المركبات الكيميائية الرئيسية كلوريد الحديد (II) رباعي الماء (FeCl₂•4H₂O) وكلوريد الحديد (III) سداسي الماء (FeCl₃•6H₂O)، وكلاهما مصدره شركة سينوفارم للمواد الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، استخدموا ماء الأمونيا (NH₃•H₂O، 25 wt.%)، وحمض الأوليك، و n-octane. تم الحصول على مواد كيميائية أخرى، مثل N-isopropylacrylamide، وN,N’-methylenebis(acrylamide)، و diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide، بالإضافة إلى الإيثيلين جلايكول، و polyvinylpyrrolidone K30، و Rhodamine 6G، و trisodium citrate، و aqueous ammonia، و silver nitrate، من Aladin.
تعتبر هذه المواد حيوية للإجراءات التجريبية الموضحة في الدراسة، والتي من المحتمل أن تشمل تخليق وتوصيف مركبات أو مواد جديدة. تشير اختيار المواد الكيميائية إلى التركيز على كيمياء البوليمرات والتطبيقات الضوئية المحتملة، نظرًا لتضمين المحفزات الضوئية والأصباغ الفلورية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في المقاييس المستهدفة، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم هذه التغييرات. تمثل الرسوم البيانية، مثل المخططات والجداول، الاتجاهات الملحوظة، مما يعزز من قوة النتائج. بشكل عام، توفر النتائج دعمًا مقنعًا للفرضيات المطروحة في بداية البحث، مما يشير إلى الآثار المحتملة للدراسات المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
يقدم البحث تصميم وتصنيع وتوصيف ميكروبوت نمل، مع التركيز على تجميعه متعدد المواد ووظيفته. تتضمن عملية التصنيع ثلاث خطوات رئيسية: إنشاء جسم فوتوريسيت مغناطيسي ثلاثي الأبعاد باستخدام بلمرة الفوتونين (TPP)، ودمج المفاصل الهيدروجيل المستجيبة للحرارة، وتطبيق طلاء من جزيئات الفضة النانوية (Ag NPs). تمكّن المفاصل الهيدروجيل، المكونة من طبقات ذات كثافات تقاطع متغيرة، من تشوه الانحناء المنضبط، مما يسمح بفك وإغلاق فكوك الميكروبوت استجابةً لمحفزات الضوء. تقيم الدراسة بشكل كمي خصائص انكماش الهيدروجيل وتظهر الاستجابة السريعة للميكروبوت للتغيرات الحرارية، حيث تحقق زاوية فتح قصوى تبلغ حوالي 86° في غضون 8 مللي ثانية.
علاوة على ذلك، يتم استكشاف قدرات تجميع الميكروبوت النمل، مما يظهر قدرته على تشكيل تكوينات مستقرة من خلال التحكم المغناطيسي والبصري. يمكن للميكروبوتات تحقيق حالات تجميع متنوعة (90° و180°) ويمكن إعادة تكوينها لمهام مثل عبور الفجوات وتوصيل الأدوية. تشير النتائج التجريبية إلى أن الميكروبوتات المجمعة يمكن أن تعبر الفجوات بشكل أكثر فعالية من الوحدات الفردية، وأنها تنقل بنجاح حوامل الأدوية إلى المواقع المستهدفة، مما يظهر فعالية كبيرة في تثبيط فلورية خلايا السرطان. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات تجمعات الميكروبوتات للمهام المعقدة في التطبيقات الطبية الحيوية، مع التأكيد على قابليتها للتكيف وتنوعها الوظيفي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51567-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39179567
Publication Date: 2024-08-23
Author(s): Zhongguo Ren et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
In this research, the authors present a novel approach to enhance the functionality of microbot collectives through the development of magnetic and light-driven ant microbots. These microbots are engineered using a flexible two-photon polymerization technique, incorporating materials such as magnetic photoresist, hydrogel, and metal nanoparticles. This innovative design allows the microbots to form stable connections and reconfigure into various architectures, overcoming challenges associated with traditional force-induced microbot systems, such as unstable connections and reliance on continuous external stimuli.
The study demonstrates that these microbot collectives can selectively and reversibly assemble into different configurations, including 90° and 180° assemblies. Additionally, the assembled microbots exhibit the capability to traverse gaps equivalent to one body length and adaptively navigate constrictions while transporting microcargo. This advancement significantly expands the potential applications of microbot collectives in areas such as gap traversal, micro-object manipulation, and drug delivery, thereby enhancing their utility in complex tasks that require coordinated action.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research. The primary chemical compounds include Iron (II) chloride tetrahydrate (FeCl₂•4H₂O) and Iron (III) chloride hexahydrate (FeCl₃•6H₂O), both sourced from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Additionally, they employed ammonia water (NH₃•H₂O, 25 wt.%), oleic acid, and n-octane. Other reagents, such as N-isopropylacrylamide, N,N’-methylenebis(acrylamide), and diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide, along with ethylene glycol, polyvinylpyrrolidone K30, Rhodamine 6G, trisodium citrate, aqueous ammonia, and silver nitrate, were procured from Aladin.
These materials are critical for the experimental procedures outlined in the study, which likely involve the synthesis and characterization of novel compounds or materials. The selection of reagents indicates a focus on polymer chemistry and potentially photonic applications, given the inclusion of photoinitiators and fluorescent dyes.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis conducted. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to measurable improvements in the targeted metrics, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of these changes. Graphical representations, such as charts and tables, illustrate the trends observed, reinforcing the robustness of the findings. Overall, the results provide compelling support for the hypotheses posited at the outset of the research, indicating potential implications for future studies and practical applications in the relevant field.
Discussion
The research presents the design, fabrication, and characterization of an ant microbot, emphasizing its multi-material assembly and functionality. The fabrication process involves three key steps: creating a 3D magnetic photoresist body using two-photon polymerization (TPP), integrating thermal stimuli-responsive hydrogel joints, and applying a silver nanoparticle (Ag NPs) coating. The hydrogel joints, composed of layers with varying crosslink densities, enable controlled bending deformation, allowing the microbot’s mandibles to open and close in response to light stimuli. The study quantitatively assesses the hydrogel’s contraction properties and demonstrates the microbot’s rapid response to thermal changes, achieving a maximum opening angle of approximately 86° within 8 ms.
Furthermore, the ant microbot’s assembly capabilities are explored, showcasing its ability to form stable configurations through magnetic and optical control. The microbots can achieve various assembly states (90° and 180°) and can be reconfigured for tasks such as gap traversal and drug delivery. Experimental results indicate that assembled microbots can traverse gaps more effectively than individual units, and they successfully transport drug carriers to targeted locations, demonstrating significant efficacy in inhibiting cancer cell fluorescence. Overall, the findings highlight the potential of microbot collectives for complex tasks in biomedical applications, emphasizing their adaptability and functional versatility.