Les nanorobots et autres mini-véhicules pourraient un jour rendre des services importants en médecine - par exemple, en effectuant des opérations télécommandées ou en transportant des agents pharmaceutiques à un endroit souhaité dans le corps. Cependant, à ce jour, il a été difficile de diriger ces micro- et nano-nageurs avec précision à travers des fluides biologiques tels que le sang, liquide synovial ou à l'intérieur du globe oculaire. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart présentent maintenant deux nouvelles approches pour la construction de systèmes de propulsion pour de minuscules corps flottants. Dans le cas d'un moteur, la propulsion est générée par des bulles qui sont mises en oscillation par les ultrasons. Avec l'autre, un courant provoqué par le produit d'une réaction enzymatique propulse un nanonageur.

Les avions à réaction ont ouvert la voie. Ils brûlent du carburant, éjecter les produits de combustion dans une direction et par conséquent se déplacer dans la direction opposée. Les chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart le font d'une manière très similaire, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite. Leur nanorobot sous-marin est un nanotube monoparoi fait de dioxyde de silicium, à peine 220 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre. Une particule de cette nature ne serait normalement pas capable de se propulser dans les fluides. Les scientifiques ont donc recouvert soit seulement la surface interne, soit la surface interne ainsi que la surface externe ou du nanotube avec l'enzyme uréase qui décompose l'urée en ammoniac et en dioxyde de carbone.

Si un nanotube ainsi préparé est introduit dans un fluide contenant de l'urée, cette urée est décomposée au niveau de la paroi interne enduite d'uréase. Les produits de réaction génèrent un courant dans le fluide qui les propulse hors du tube comme un jet. Comme un tel nanonageur est soit plus fin à une extrémité qu'à l'autre, soit l'urée n'est pas répartie de manière homogène sur sa surface, cela se traduit par une poussée, de sorte que le micro-nageur subit une propulsion dans la direction opposée - comme dans un avion à réaction. Les nanojets ont atteint des vitesses de 10 micromètres par seconde, soit près de quatre centimètres par heure.

Le plus petit moteur à réaction du monde

Certes, le revêtement d'un nanorobot pour réaliser un entraînement chimique n'est en aucun cas nouveau. Cependant, le tube maintenant présenté, avec son ouverture de 220 nanomètres, représente le plus petit système de propulsion à réaction construit à ce jour dans le monde. "Notre précédent record, qui est toujours dans le Livre Guinness des Records, était environ trois fois plus grand", explique Samual Sanchez qui dirige le Smart NanoBioDevices Group à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart et est en même temps professeur à l'Institut de bio-ingénierie de Catalogne à Barcelone.

Et il y a un autre aspect nouveau du nanojet que les scientifiques du Harbin Institute of Technology de Shenzhen en Chine ont également contribué à développer :pour la première fois, tous les matériaux et partenaires de réaction utilisés sont entièrement biocompatibles. "Les précédents entraînements chimiques de ce type étaient généralement basés sur un catalyseur métallique à la surface duquel le peroxyde d'hydrogène était décomposé en molécules d'hydrogène et d'oxygène", dit Sanchez. Des bulles d'oxygène sont créées dans le processus, ce qui crée une poussée dans la direction opposée. Tant le peroxyde d'hydrogène que les bulles de gaz auraient des inconvénients s'ils étaient utilisés dans le corps humain. Mais ce n'est pas le cas de la version enduite d'uréase avec ses produits de réaction solubles dans l'eau – et donc sans bulles –. "L'uréase se produit de toute façon dans l'organisme humain", Sánchez explique.

Les chercheurs veulent maintenant tester plus précisément la biocompatibilité et, ce faisant, examiner s'ils peuvent réussir à implanter de tels microtubes dans des cellules individuelles. "Ce serait nécessaire, bien sûr, afin d'amener les molécules médicamenteuses à destination, par exemple", dit Sanchez.

Les bulles oscillantes fournissent une poussée

Alors que les bulles de gaz étaient encore indésirables dans l'approche spécifiée, ils forment la pièce maîtresse d'un tout nouveau principe de propulsion pour les minirobos, quels collègues de l'Institut dans le Micro, Le groupe Nano and Molecular Systems dirigé par Peer Fischer propose. Cependant, ici, les bulles de gaz ne bouillonnent pas librement à travers le fluide et ne peuvent donc pas endommager l'organisme. Plutôt, les chercheurs enferment les microbulles dans de petites chambres cylindriques le long d'une bande de plastique. Pour fournir le lecteur, donc, les bulles de gaz se dilatent et se contractent cycliquement car les ultrasons les font osciller. Comme les bulles pulsantes sont dans des chambres ouvertes d'un côté, ils ne s'étendent que par cette ouverture. Dans le processus, ils exercent une force sur la paroi opposée de la chambre qui propulse la bande plastique. Afin d'obtenir une propulsion digne de mention, les chercheurs ont disposé plusieurs chambres avec des bulles d'air en parallèle sur leur bande de polymère.

Un aspect notable :la fréquence des ondes sonores nécessaire pour les faire osciller dépend de la taille des minuscules bulles. Plus les bulles sont grosses, plus la fréquence de résonance correspondante est petite. Les chercheurs ont utilisé cette connexion pour faire tourner leur nageur alternativement dans le sens horaire et antihoraire. Faire cela, ils ont placé des bulles de tailles différentes sur les deux moitiés des quatre, longues faces cuboïdes divisées dans le sens de la longueur. Deux fréquences sonores différentes ont ensuite été utilisées dans un liquide pour faire osciller chacune toutes les bulles d'une même taille. De cette façon, les scientifiques ont généré des poussées exclusivement sur la moitié de la face cuboïde qui l'a fait tourner sur son propre axe. Ce petit moteur de rotation à entraînement acoustique avec des zones longitudinales de cinq millimètres carrés chacune a réalisé jusqu'à mille tours par minute dans le processus.

Une possibilité pour diriger les mini-nageurs

« La variation de la taille des bulles permet ainsi à un mini-nageur de se diriger volontairement dans des directions différentes », dit Tian Qiu, qui mène également des recherches à l'Institut Max Planck de Stuttgart et a joué un rôle appréciable dans l'étude. Selon Qiu, un autre avantage du nouveau principe de propulsion est que même les nageurs avec une structure géométrique compliquée peuvent être recouverts de bandes ultra-fines avec des chambres pour les bulles. Il poursuit en expliquant que l'utilisation des ultrasons est également adaptée aux milieux optiquement impénétrables tels que le sang. Les ondes lumineuses, qui sont également un instrument de contrôle potentiel pour les micro-entraînements, ne peut rien faire dans ce cas. Les chercheurs souhaitent maintenant utiliser des tests dans des milieux biologiques réels pour vérifier si le nouveau principe d'entraînement est également en mesure de tirer le meilleur parti de ses avantages dans la pratique.