نسخه کوچک USS Voyager فیزیک میکرو شناورها را روشن می کند


ویجر ، یک کشتی فضایی اختراع کلاس Star Trek اختراع شده است. مطالعه چنین سایتهایی می تواند به رباتهای کوچکی برای تحویل هدفمند دارو منجر شود. “/>
بزرگنمایی / تصویر SEM نسخه میکروسکوپی چاپ شده سه بعدی USS ویجر، یک کشتی فضایی اختراع کلاس Star Trek اختراع شده است. مطالعه چنین سایت هایی می تواند به ربات های کوچکی برای تحویل هدفمند دارو منجر شود ، از جمله برنامه های دیگر.

RP Doherty و همکاران / ماده نرم

فیزیکدانان دانشگاه لیدن هلند نسخه میکروسکوپی چاپ شده سه بعدی USS را ایجاد کرده اند ویجر از جانب پیاده روی ستاره ای حق رای دادن ، مطابق مقاله اخیر در مجله Soft Matter. این نوع “ریز شناور” مصنوعی مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است زیرا روزی می تواند منجر به ربات های شناور کوچکی برای تحویل مستقل داروها از طریق خون یا تصفیه فاضلاب از دیگر کاربردهای بالقوه شود. چنین مطالعاتی همچنین ممکن است نحوه عبور “ریز شناورها” مانند مایع منی و باکتری ها از بدن انسان را روشن کند.

ریز شناورها به دلیل کوچک بودن ، هنگام جابجایی در مایعات با چالش های منحصر به فردی روبرو می شوند. همانطور که قبلاً در متن مطالعات مختلف گزارش شده بود ، میکروارگانیسم های بیولوژیکی در محیط هایی با عدد کم اصطلاح رینولدز زندگی می کنند – عددی که براساس ویسکوزیته ، طول و سرعت متغیر ، رفتار مایع را پیش بینی می کند. این مفهوم به نام فیزیكدان قرن نوزدهم ازبورن رینولدز (Osborne Reynolds) نامگذاری شده است ، به ویژه برای پیش بینی زمان انتقال مایعات به جریان آشفته بسیار مفید است.

در عمل ، این بدان معنی است که نیروهای اینرسی (مانند فشار دادن آب برای حرکت رو به جلو هنگام شنا) در تعداد بسیار کم رینولدز ، جایی که در عوض نیروهای چسبناک غالب هستند ، تا حد زیادی بی ربط هستند. بنابراین ، از آنجا که باکتری ها یا اسپرم ها در مقادیر کم رینولدز شنا می کنند ، اگر آنها را برای فعال کردن فشار دهید ، به سختی می توانند مسافتی را طی کنند. این شبیه شخصی است که سعی می کند در ملاس شنا کند.

سامی اوهاجی ، یکی از نویسندگان ، به CNN گفت: “با مطالعه ریز شناورهای مصنوعی ، دوست داریم ریزسوبرهای بیولوژیکی را درک کنیم.” “این درک می تواند به تولید وسایل نقلیه جدید برای انتقال دارو کمک کند ؛ به عنوان مثال ربات های ریز که به طور مستقل شنا می کنند و داروها را به مکان مورد نظر در بدن انسان می رسانند.”

به نظر می رسد شکل عامل مهمی است که بر حرکت و فعل و انفعالات ریز شناورها تأثیر می گذارد و این موضوع آخرین مقاله است. نویسندگان می نویسند: “شکل و حرکت میکرو شناگران مصنوعی و بیولوژیکی ارتباط تنگاتنگی دارند.” مطالعات قبلی نشان داده است که ذرات L شکل برای مثال مسیرهای دایره ای را دنبال می کنند. و در سال 2016 ، دانشمندان دانشگاه South Methodist ربات های ریز شناور را ساختند که شبیه زنجیره ای از دانه های مغناطیسی است. حرکت ربات ها توسط یک میدان مغناطیسی چرخان قابل کنترل است. محققان دریافتند که ریز شناورها با طول های مختلف دارای خصوصیات مختلف شنا هستند. نکته قابل توجه این است که طولانی ترها سریعتر شنا می کنند.

تیم لیدن به یک روش قوی برای ساخت ریز شناورها به اشکال مختلف پیچیده نیاز داشتند. ریز شناورهای مصنوعی معمولاً با روشهای شیمیایی یا تبخیر تولید می شوند که اگرچه موثر هستند ، اما اشکال احتمالی را به کره یا کلوئیدهای میله ای محدود می کنند. ریز شناورهای بیولوژیکی از نظر شکل بسیار متنوع و نامتقارن هستند. بنابراین محققان لیدن استفاده از “پلیمریزاسیون دو فوتونی” یا 2PP را انتخاب کردند ، روشی که امکان چاپ سه بعدی ریزساختارها را فراهم می کند در حالی که از نظر شکل و تقارن دارای برخی از انعطاف پذیری است. همچنین به آنها امکان کنترل نحوه جهت گیری ذرات نسبت به بستر سیلیس مذاب را که روی آن چاپ شده است ، می دهد و به آنها کنترل بیشتری بر حرکت حاصل می دهد.

نویسندگان می نویسند: “پتانسیل 2PP برای ایجاد ریز شناورها با طیف گسترده ای از هندسه بسیار زیاد است ، و تقریباً هر شکل دلخواهی را می توان تولید کرد.” به گفته دانیلا کرافت ، همکار ، فیزیکدان دانشگاه لیدن ، این تیم لیزر را درون قطره متمرکز کرده و از آن برای “نوشتن” هر ساختاری که می خواست استفاده کرد. آنها توانستند اشکال متنوعی را در یک میکرومتر با چاپگر سه بعدی با وضوح بالا ایجاد کنند. پس از چاپ ، موارد به مدت 30 دقیقه در پروپیلن گلیکول متیل اتر اکریلات قرار گرفتند و پنج بار در ایزوپروپانول غوطه ور شدند. به عنوان یک تماس نهایی ، هر سازه با یک نانو لایه پلاتین / پالادیوم فعال شده است.

تصاویر SEM از اشکال مختلف ذره چاپ شده سه بعدی: (بالا ، lr) کره کروی ، کشتی فضایی ، مارپیچ.  (پایین ، lr) مارپیچ ، موبر و قایق سه بعدی.
بزرگنمایی / تصاویر SEM از اشکال مختلف ذره چاپ سه بعدی: (top، lr) کره کروی، کشتی فضایی، مارپیچ. (پایین ، lr) مارپیچ ، موبر و قایق سه بعدی.

RP Doherty و همکاران. / نرم ماده

این تیم چاپ ذرات کروی را در محدوده 1 تا 10 میکرومتر به عنوان یک مدرک اصولی آغاز کرد و توانست نتیجه گیری کند که 4 میکرومتر کوچکترین اندازه ای است که می تواند به آن برسد و هنوز هم شکلهای کروی منطقی تولید می کند. آنها سپس نشان دادند که وقتی در آب قرار می گیرند ، ذرات کروی آنها یک حرکت براونی نشان می دهد ، یک حرکت دلخواه ذرات در مایع است ، زیرا آنها به طور مداوم با سایر مولکول ها برخورد می کنند – یعنی. آنها مانند کلوئیدهای واقعی رفتار می کنند. (واقعیت جالب: یکی از مقالات اصلی آلبرت انیشتین ، منتشر شده در سال 1905 – مقاله وی) Annus mirabilis – مولکولهای آب منفرد را به عنوان مکانیزمی برای حرکت تصادفی مشاهده شده ذرات گرده در یک گودال مدلسازی کنید.)

دانشمندان لیدن سپس ریز شناورهای خود را در محلول آب و پراکسید هیدروژن قرار دادند. پوشش پلاتین / پالادیوم با محلول واکنش داده و حرکتی خود رونده یا فعال ایجاد می کند. نویسندگان می نویسند: “تفاوت در مسیرهای انفعالی آب و محلولهای موجود در محلول پراکسید هیدروژن نشان می دهد که با یک روش پوشش ساده می توان کلوئیدهای چاپ شده سه بعدی را فعال کرد.”

برای مرحله بعدی تحقیقات خود ، تیم لیدن مجموعه خود را گسترش داد و ساختارهای پیچیده تری را در بر داشت: سنبله ، مارپیچ ، مارپیچ و به اصطلاح قایق “3DBenchy” ، طول 30 میکرومتر – مخفف “معیار” ، ساختاری که معمولاً برای آزمایش چاپگرهای سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرد تا ببیند که چگونه از جزئیات خوب استفاده می کنند. به عنوان مثال قایق بنچی از ویژگی های هندسی چالش برانگیزی مانند گودال ها و کابین باز برخوردار است.

و البته ، آنها نسخه خرد USS را انجام دادند ویجر، فقط 15 میکرومتر اندازه گیری می شود. این کار توسط نویسنده همکار Jonas Hocht انجام شد ، که به او فرصت داده شد هر شکل سه بعدی را که دوست دارد برای نمونه نهایی چاپ کند. هوشت سخت است پیاده روی ستاره ای طرفدار و انتخاب کرد ویجر. تمام میکرو اشیا printed چاپ شده سه بعدی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) تصویربرداری می شوند.

“ما امیدواریم که بتوانیم در مورد آنچه که اکنون یک اصل خوب طراحی برای ایجاد یک وسیله حمل و نقل کوچک دارو است ، یاد بگیریم – اگر ذره کوچکی دارید که برای انتقال دارو به قسمت خاصی از بدن می رود ، پس باید تأمین شود. به تنهایی و ممکن است مجبور به کنار آمدن با محیط بدن باشید ، که بسیار پیچیده است “، یکی از نویسندگان دانیلا کرافت به CNN گفت. “آنچه ما در تلاش هستیم به آن پاسخ دهیم این است: چه طرحی می تواند خوب باشد؟ چه شکلی عالی خواهد بود تا بتواند در آن موثر باشد؟”

تحقیقات این تیم نشان داد که ذرات ایجاد شده به شکل مارپیچ ، امیدوار کننده ترین حرکت را نشان می دهند. کرافت گفت: “هنگامی که به جلو حرکت می کند ، اغلب مجبور به چرخش است و این به شما کمک می کند ، به عنوان مثال ، سرعت آن را افزایش دهید.” “اگر به برنامه های کاربردی فکر می کنید ، اگر می خواهید یک ماشین کوچک داشته باشید که به جایی برود ، ممکن است شکل مارپیچی مفیدتر باشد زیرا سریعتر شنا می کند.”

DOI: ماده نرم ، 2020. 10.1039 / d0sm01320j (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*