Tecnologia Científica
Cientistas demonstram controle preciso sobre micronadadores artificiais usando campos elétricos
Em um novo estudo na Physical Review Letters , cientistas demonstraram um método para controlar micronadadores artificiais usando campos elétricos e fluxo de fluidos. Essas gotículas microscópicas podem abrir caminho para a entrega de medicamentos...
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Tejasri Gururaj - 29/10/2024
Eletrotaxia de gotículas ativas em um microcanal, com um campo elétrico crescente. Crédito: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.158301
Em um novo estudo na Physical Review Letters , cientistas demonstraram um método para controlar micronadadores artificiais usando campos elétricos e fluxo de fluidos. Essas gotículas microscópicas podem abrir caminho para a entrega de medicamentos direcionados e microrrobótica.
No mundo natural, nadadores biológicos, como algas e bactérias, podem mudar sua direção de movimento (ou natação) em resposta a um estímulo externo, como luz ou eletricidade. A capacidade dos nadadores biológicos de mudar de direção em resposta a campos elétricos é conhecida como eletrotaxia.
Nadadores artificiais que podem responder a estímulos externos podem ser extremamente úteis para aplicações de administração de medicamentos direcionados. Neste estudo, os pesquisadores escolheram modelar nadadores artificiais que respondem a campos elétricos.
Phys.org falou com os coautores do artigo: Ranabir Dey, um professor assistente no Instituto Indiano de Tecnologia de Hyderabad; e Corinna Maaß, uma professora associada na Universidade de Twente. Ambos estavam anteriormente no Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização de Göttingen, onde o estudo germinou.
Falando sobre a motivação por trás do estudo, o Prof. Dey disse: "A física que impulsiona o movimento ativo e intrínseco é fascinantemente rica e diferente daquela que governa a matéria passiva e externamente conduzida, e encontramos muitos fenômenos complexos e até mesmo contraintuitivos."
O Prof. Maaß acrescentou: "Descobrir o princípio de funcionamento por trás desses efeitos em um sistema modelo simples pode nos ajudar a entender e controlar sistemas muito mais complicados, até mesmo biológicos."
Nadadores artificiais
Nadadores artificiais pertencem principalmente a duas categorias, colóides ativos (também conhecidos como partículas Janus) e gotículas ativas . Eles são chamados de "ativos" porque se movem em resposta a um estímulo.
Partículas de Janus, nomeadas em homenagem ao deus romano de duas faces Janus, têm duas superfícies distintas com propriedades químicas ou físicas diferentes. O design permite que essas superfícies tenham uma assimetria para autopropulsão. Por exemplo, um lado pode atrair água enquanto o outro a repele.
No entanto, partículas Janus requerem materiais especializados, estímulos externos para se mover e complicações de assimetria. Elas podem ser desafiadoras para estudar e trabalhar.
Gotículas ativas, por outro lado, são muito mais simples em estrutura. Elas são gotículas à base de óleo suspensas em uma solução aquosa. Elas não requerem estímulos externos para se autopropulsionar, em vez disso, dependem de reações internas.
Estímulos externos, como campos elétricos, podem ser usados para alterar seu movimento, o que os torna muito úteis em ambientes confinados, como microcanais, que são canais estreitos frequentemente usados em dispositivos de laboratório em um chip e sistemas microfluídicos.
A eletrotaxia em nadadores artificiais é pouco estudada, especialmente em espaços confinados envolvendo fluidos fluindo (como microcanais). A eletrotaxia oferece vantagens sobre outros táxis, como a capacidade de ser instantaneamente ligada e desligada, ajustando o movimento dos nadadores para direção e velocidade, e também pode ser dimensionada para operar em distâncias curtas e longas.
Nadadores biológicos respondem naturalmente a campos elétricos gerados por diferenças de potencial entre limites celulares ou estrutura de tecido. No entanto, nadadores artificiais não o fazem, e devem ser projetados para fazê-lo.
Gotas ativas em microcanais
Os pesquisadores tiveram como objetivo estudar como gotículas ativas respondem a campos elétricos externos em microcanais confinados.
"Os nadadores precisam se comunicar com o mundo fora de seu ambiente local por meio de interações com os limites do sistema. Imagine guiar um nadador ao longo de um canal — pode-se querer evitar que o nadador bata ou grude nas paredes, reorientando-o em uma direção específica ou permanecendo em uma área específica", explicou o Prof. Maaß.
O Prof. Dey acrescentou: "Isso pode ser projetado para uma ampla gama de nadadores escolhendo valores apropriados para um fluxo aplicado externamente e um campo elétrico no canal."
Os pesquisadores usaram gotículas de óleo contendo um composto chamado CB15 (comumente usado para estudos de gotículas ativas) misturado com um surfactante. Essas gotículas foram colocadas em microcanais, com eletrodos colocados nas extremidades para aplicar campos elétricos. O raio dessas gotículas era de aproximadamente 21 micrômetros.
Junto com o campo elétrico, os pesquisadores também puderam controlar o fluxo de fluido , ou seja, a pressão para um controle mais abrangente. A voltagem variou até 30 volts.
Para analisar as trajetórias das gotículas ativas, os pesquisadores usaram rastreamento de vídeo e velocimetria de imagem de partículas, que podem medir as velocidades em fluxos de fluidos.
Além disso, eles desenvolveram um modelo hidrodinâmico incorporando a carga da superfície da gota, a direção do movimento, as interações do fluxo e a orientação do campo elétrico para prever a dinâmica eletrotática.
Controlando o fluxo e os campos elétricos
O experimento descobriu que as gotículas mostraram uma gama de respostas ao campo elétrico variável. Os pesquisadores observaram que as gotículas ativas realizam curvas em U quando o campo elétrico se opõe ao seu movimento. Eles também notaram que a velocidade das gotículas aumenta com a força do campo elétrico.
Ao controlar o campo elétrico em conjunto com o fluxo, os pesquisadores puderam direcionar o movimento preciso das gotículas. Isso é conhecido como eletrorreotaxia.
Quando o campo elétrico se opôs ao fluxo das gotículas, seu movimento oscilatório foi reduzido, e os pesquisadores conseguiram atingir uma natação estável na linha central.
Quando o campo elétrico se alinhou com o fluxo das gotículas, os pesquisadores conseguiram manter a natação rio acima com oscilações modificadas. Em altas voltagens, isso mudou para natação rio abaixo, seguindo a parede do microcanal.
A modelagem hidrodinâmica revelou a razão por trás do movimento das gotículas no campo elétrico. Eles descobriram que essas gotículas carregam uma carga elétrica inerente, que afeta seu movimento quando expostas a um campo elétrico.
Eles descobriram ainda que as paredes do canal também desempenharam um papel em afetar o movimento das gotículas, devido às suas interações com a dinâmica do fluido circundante. Os dados observados se alinharam bem com as previsões feitas pelo modelo hidrodinâmico dos pesquisadores.
"Demonstramos que o ajuste de dois parâmetros (fluxo e campo elétrico) dá acesso a um número distinto de estados de motilidade, abrangendo oscilação a montante, movimento de parede e linha central e reversão de movimento (inversões em U)", disse o Prof. Dey.
Potencial para mais
O estudo demonstra que gotículas simples podem imitar comportamentos biológicos complexos, o que o torna um caminho muito promissor para aplicações biomédicas.
Campo elétrico e fluxo acionado por pressão são métodos prontamente disponíveis, o que torna esta aplicação extremamente atraente.
Ao discutir possíveis aplicações, o Prof. Maaß disse: "Como esses princípios de orientação se aplicam a qualquer nadador com cargas superficiais em um ambiente estreito, eles podem ser usados para guiar células móveis em aplicações médicas, cenários de laboratório em um chip ou biorreatores e no projeto de transportadores móveis, como microrreatores ou sensores inteligentes."
Mais informações: Carola M. Buness et al, Electrotaxis of Self-Propelling Artificial Swimmers in Microchannels, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.158301
Informações do periódico: Physical Review Letters
