Микроскопические роботы для доставки лекарств: секрет их движения внутри тела
Микророботы, способные плавать внутри человеческого тела и доставлять лекарства точно к цели, уже давно перешли из разряда научной фантастики в область инженерных разработок. Но вот парадокс: когда их начинают тестировать в среде, похожей на кровь или слизь, они ведут себя совершенно не так, как ожидалось. Исследователи из Университета Лихай во главе с Эбру Демир обнаружили, что в вязких не-ньютоновских жидкостях крошечные пловцы не просто замедляются — они начинают двигаться в обратную сторону.
Как текучесть среды меняет правила игры
Человеческое тело — это не бассейн с водой. Кровь, слизь, синовиальная жидкость — всё это не-ньютоновские среды. Их вязкость меняется в зависимости от того, с какой силой на них воздействуют. Когда кровь течёт быстро по крупному сосуду, она ведёт себя иначе, чем когда медленно просачивается через капилляры. Для инженеров, проектирующих микроскопических роботов, это превращается в головную боль: стандартные модели движения, рассчитанные на воду, здесь не работают.
Группа Демир опубликовала статью в журнале Applied Physics Letters (DOI: 10.1063/5.0333605), где описала эксперименты с двумя типами крошечных пловцов: сферой и спиралью, напоминающей форму некоторых бактерий. Внутрь каждого встроили магнит. Сначала учёные запустили их в ньютоновской жидкости — простой, как вода или спирт, где вязкость постоянна. Всё шло по плану: чем выше частота вращения магнитного поля, тем быстрее и прямолинейнее двигался объект.
Неожиданный эффект обратного хода
Но как только пловцов поместили в синтетическую не-ньютоновскую среду, имитирующую слизь, картина радикально изменилась. При увеличении частоты вращения они не только не ускорялись вперёд, но начинали смещаться вбок — в противоположном направлении относительно того, что наблюдалось в воде. «Это почти как если бы смена жидкости передвигала финишную черту для каждого пловца», — объясняет соавтор исследования Бен Ратнор.
Аспирант Амин Балазаде Коуче, первый автор работы, добавляет: раньше этот феномен удавалось воспроизвести только на компьютерных моделях, но теперь он подтверждён экспериментально. Самое важное открытие — эффект оказался нечувствительным к форме. И сфера, и спираль демонстрировали одинаковое «обратное скольжение». Это означает, что решающую роль играет исключительно реология — свойства самой жидкости, а не геометрия робота.
Почему это важно для доставки лекарств
Представьте, что крошечный робот должен доплыть до раковой опухоли и выпустить химиотерапию прямо в её ткани. Если он начнёт отклоняться и двигаться вспять при изменении частоты пульса или состава крови, управление такой миссией станет практически невозможным. Поэтому инженеры сначала должны досконально понять, как именно среда влияет на движение.
Вот ключевые выводы, к которым пришла команда:
- Поведение пловцов в не-ньютоновских жидкостях кардинально отличается от их поведения в воде;
- Изменение частоты магнитного поля может заставить их двигаться в обратном направлении;
- Форма робота (сфера или спираль) не влияет на этот эффект — реология среды является главным фактором;
- Эксперименты проводились на миллиметровых моделях, но физика движения соответствует микроскопическим аналогам.
Следующий шаг — переход к настоящим микроскопическим пловцам. Команда планирует изучать, как разные формы и размеры влияют на управляемость в «реальных» биологических средах.
Жидкость как часть механизма
До целенаправленной доставки лекарств в организме, конечно, ещё далеко. Но такие исследования — необходимый фундамент. «Раньше мы думали о жидкости просто как о среде, в которой движется объект», — говорит Эбру Демир. «Теперь мы начинаем видеть в ней часть самого механизма».
Эта парадигма меняет всё: управление микророботами придётся адаптировать под конкретного пациента, его биохимию и даже под конкретный орган. И первый вопрос, который теперь стоит перед разработчиками — можно ли использовать сам эффект обратного скольжения как дополнительный инструмент контроля, а не как помеху?
