Zwemmende ‘microrobotjes’ passen vorm aan

Onderzoekers in Zwitserland hebben een soort kunstmatige bacteriën gemaakt die hun vorm kunnen aanpassen aan het gedrag van de vloeistof waar ze in zwemmen. Deze kennis helpt hen op weg naar het hogere doel: microrobotjes die in het lichaam medicijnen naar de gewenste plek brengen.

Het zijn bekende beelden, van bacteriën of zaadcellen die met een zwiepend zweepstaartje door een vloeistof zwemmen. De natuur heeft dat mooi ‘ontworpen’, want het is een efficiënte manier om je voort te bewegen. In het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances beschrijven onderzoekers van de ETH in Zürich en École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) afgelopen vrijdag de resultaten van hun werk aan kunstmatige ‘microzwemmertjes’, die een soortgelijke techniek gebruiken en bovendien van vorm kunnen veranderen.
 

Van buitenaf te sturen

De wetenschappers gaven kleine stukjes flexibel kunststof een staartje en deden er uitgebreide experimenten mee om te achterhalen welke bewegingen het beste werken in dunne en stroperige vloeistoffen, in buisjes met vernauwingen en in smalle buisjes die haaks de bocht om gaan. Die situaties staan allemaal model voor de verschillende omgevingen en omstandigheden die in het menselijk lichaam voorkomen.

De onderzoekers fabriceerden de microzwemmertjes door een mal te vullen met hydrogel, die vervolgens uithardt onder invloed van uv-licht (zie afbeelding rechts). Tegelijk met dit proces stopten ze ook magnetische nanodeeltjes in de gel (de 'MNPs' in de figuur rechts). Die zorgen ervoor dat de kunstmatige bacterie ook van buitenaf te sturen is, met een magnetisch veld. Deze fotolithografische techniek maakt het mogelijk om in één moeite door honderden identieke microzwemmers te fabriceren.
 

Kurketrekkerbeweging

Vervolgens deden de Zwitsers allerlei experimenten met de ‘kunstmatige bacteriën’. Om te beginnen lieten ze die zwemmen in een reeks vloeistoffen met oplopende stroperigheid (viscositeit). Hieruit bleek dat de microzwemmer die de vorm heeft van een buisje en is voorzien van een buigzame staart het beste vooruit komt in een vloeistof met lage viscositeit, zoals water.

Loopt de viscositeit op, dan kan de microzwemmer die een helixvorm aanneemt nog het beste uit de voeten. Overigens zwemt hij dan eigenlijk niet meer, merken de onderzoekers op, maar maakt hij een kurketrekkerbeweging.
 

Als een bloedcel

Soortgelijke experimenten werden uitgevoerd met een zwemmertje dat door een vernauwing in een glazen buis moest bewegen (zie de foto's hieronder rechts). Schoolvoorbeeld hiervan uit de natuur is de rode bloedcel, die onder invloed van de juiste krachten door een ader heen kan met een kleinere doorsnede dan de bloedcel zelf. De crux is uiteraard dat zo'n bloedcel daarvoor wel moet vervormen (onder invloed van krachten die de vloeistof op hem uitoefenen).

Dat doet de kunstmatige microzwemmer ook: die kan veranderen van een buisje in een helixvorm. De waterstroming in het buisje trekt deze helix ook nog eens in de lengterichting uit elkaar. Dat maakt hem smaller, waardoor hij toch door de vernauwing gaat.

Een ander mechanisme dat optreedt, is dat de microzwemmer door de vernauwing beweegt onder invloed van de krachten die de stromende vloeistof op hem uitoefent. Afhankelijk van de ruwheid van de wand loop je daarbij wel altijd het risico dat het zwemmertje vast blijft zitten, merken de onderzoekers op.

'Microrobots'

Het persbericht van de EPFL spreekt heel optimistisch van ‘microrobots’ die door ons lichaam zwemmen om medicijnen gericht op een bepaalde plek van het lichaam af te geven. Van die realiteit zijn we zo te zien echter nog jaren verwijderd. De kunstmatige bacteriën in dit onderzoek zijn een paar millimeter lang en dat is te groot voor veel kleine adertjes in ons lichaam. Wel draagt dit onderzoek bij aan een beter begrip van materialen en het zodanig spelen met vorm dat obstakels in smalle buisjes zijn te overwinnen.

Beeld: Huang et al., Science Advances, 2019