Les nanoparticules automotrices pourraient potentiellement faire progresser l’administration de médicaments et les systèmes de laboratoire sur puce, mais elles ont tendance à se transformer en mouvements aléatoires et sans direction. Aujourd'hui, une équipe internationale de chercheurs a développé une approche pour maîtriser les particules synthétiques.
Dirigée par Igor Aronson, professeur de la chaire Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck de génie biomédical, de chimie et de mathématiques à Penn State, l'équipe a redessiné les nanoparticules en forme d'hélice pour mieux contrôler leurs mouvements et augmenter leur fonctionnalité. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Small .
En raison des défis de fabrication, la forme des nanoparticules était auparavant limitée à des bâtonnets et des beignets, selon Ashlee McGovern, doctorante en chimie à Penn State et première auteure de l'article. Avec une machine nanoscribe capable d'imprimer en 3D à l'échelle nanométrique au Materials Research Institute de Penn State, McGovern a expérimenté pour optimiser la forme des nanoparticules. Elle a redessiné la forme des particules pour en faire une hélice, qui peut tourner efficacement lorsqu'elle est déclenchée par une réaction chimique ou un champ magnétique.
La forme de l'hélice utilise la chiralité, semblable à un escalier en vis ou en colimaçon, où la face supérieure est reflétée par la face inférieure.
"La forme prédétermine la façon dont une particule va se déplacer", a déclaré McGovern. "La chiralité, ou la main, en tant que caractéristique de conception n'a pas été suffisamment utilisée dans la recherche sur les nanoparticules et constitue un moyen de faire bouger les particules de manière de plus en plus complexe."
La forme chirale permet aux particules de se déplacer dans une direction prescrite et, en fonction de l'inclinaison des pales, de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alimentée par une réaction chimique entre les métaux présents dans les nanoparticules et le peroxyde d'hydrogène.
Après avoir expérimenté différents nombres et angles d'ailerons, ainsi que différentes épaisseurs, les chercheurs ont découvert que l'utilisation de quatre ailerons ou plus avec une inclinaison de 20 degrés et une épaisseur de 3,3 microns permettait une plus grande stabilité. Avec trois ailerons ou moins, les hélices présentent un mouvement incontrôlé.
Le contrôle accru a permis aux chercheurs de manipuler les particules pour capturer et transporter des particules de polymère.
"En utilisant un champ magnétique, nous pouvons diriger les microhélices pour traquer et collecter les particules de la cargaison", a déclaré McGovern. "Les nanoparticules en forme de bâtonnets et de beignets de notre laboratoire ramasseraient accidentellement une cargaison, mais de manière non contrôlée."
Pour contrôler davantage les mouvements des particules, les chercheurs ont manipulé le sens de rotation des microhélices.
"Grâce aux flux intégrés créés par les particules, nous pouvons contrôler les interactions particule à particule entre les deux hélices", a déclaré McGovern. "Changer le sens de rotation du sens inverse des aiguilles d'une montre au sens des aiguilles d'une montre et vice versa permet à deux hélices de s'attirer ou de se repousser."
Aronson, qui dirige le laboratoire de biomatériaux actifs dans lequel travaille McGovern, a souligné la portée future de cette recherche.
"Grâce à des réponses mécaniques, magnétiques et chimiques adaptées, nous pouvons exercer plus de contrôle que jamais sur ces nanoparticules", a déclaré Aronson. "À l'avenir, nous pourrons tirer parti de ce contrôle pour appliquer cette technologie à la conception de concepts d'appareils à micro-échelle ou de microrobotique."
Plus d'informations : Ashlee D. McGovern et al, Microhélices chirales multifonctionnelles à propulsion chimique pour le transport et la manipulation de marchandises, Petites (2023). DOI : 10.1002/smll.202304773
Informations sur le journal : Petit
Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie
