מיקרו-מבנים להעברת חומרים בתוך הגוף

חוקרים הצליחו לפתח מבנים משופרים יותר המורכבים ממנגנוני הפעלה מגנטיים זעירים, זאת בזכות חומרים חדשניים בשילוב עם טכנולוגיית הדפסה תלת-מימדית מיקרוסקופית

מדענים עורכים מחקרים על מנגנוני הפעלה מיקרומטרים שיוכלו, ביום מן הימים, לאפשר העברת תרופות או מולקולות חישה ליעדים מוגדרים בתוך הגוף. חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ציריך בגרמניה קידמו כעת את הפיתוח של מיקרו-התקנים כאלו ע”י שיפורו של שלב מכריע: טכנולוגיית ייצור חדשה וחומרים חדשניים מאפשרים לייצר מנגנוני הפעלה זעירים בכל צורה שהיא תוך התאמתם ליישומים עתידיים כנדרש.

מערכי ההפעלה המוארכים, המסוגלים לנוע בתוך נוזלים, הם בעלי מבנה סלילי ובנוסף הם מגנטיים. הם מופעלים ע”י שדה מגני מסתובב חיצוני; הם מתארגנים לאורך קווי השדה המגנטי ומסתובבים על ציר האורך שלהם. בזכות צורתם הסלילית, הם מסוגלים לנוע קדימה דרך נוזלים.

כאשר משתמשים בשיטות ייצור רגילות, התכונות המגנטיות של מיקרו-עצמים אלו תלויות בצורת ההתקנים עצמם. מגבלה זו הקשתה על החוקרים לפתח מנגנוני הפעלה בעלי בקרה מדויקת ותנועה יציבה, כפי שמסביר אחד מהחוקרים: “בעבר, אלמנטים כאלו היו מתנודדים בעודם נעים קדימה, והם היו פחות יעילים מכיוון שהתכונות המגנטיות שלהם לא היו אידיאליות. כעת הצלחנו לפתח חומר ושיטת ייצור חדשים שמאפשרים לנו לכוונן את התכונות המגנטיות ללא תלות במבנה של העצם.” החוקרים ניצלו שרף אפוקסי מותאם ביולוגית הרגיש לאור, שאותו הם שילבו בתוך ננו-חלקיקים מגנטיים. בשלב הראשון הם חשפו שכבה דקיקה של חומר זה לשדה מגנטי. שדה מגנטי זה משרה מגנטיות על ננו-החלקיקים וגורם להם להסתדר מחדש במערך של קווים מקבילים. הכיווניות של קווים אלו קובעת את התכונות המגנטיות של החומר. בשלב הבא המדענים גרמו למבנים לעבור פילמור בעזרת קרינת אור.
שיטה זו דומה למדפסת תלת-ממדית מיקרוסקופית: אלומת לייזר מוזזת באופן מבוקר-מחשב ותלת-ממדי בתוך שרף האפוקסי, ובכך גורמים לאשפור השרף באופן מקומי. אזורים שלא עברו את האשפור הזה מורחקים לאחר מכן בשטיפה בעזרת ממס.

השיטה אפשרה לחוקרים לייצר מבנים סליליים באורך של 60 מיקרומטרים ובקוטר של 9 מיקרומטרים, תוך קבלת מגנטיות אנכית לציר האורך. שיטות אחרות לא מסוגלות לייצר מבנים בעלי כיווניות מגנטית כזו. ניתן לשלוט במדויק במערכים המתקבלים והם נעים במהירות הגבוהה פי ארבעה ממבנים קודמים, ובנוסף תנועתם יציבה והם אינם מתנודדים.

מיקרו-מנגנוני הפעלה קודמים היו בעלי צורה סלילית, אולם, תודות לטכנולוגיית הייצור התלת-ממדית המיקרוסקופית החדשה החוקרים מסוגלים לבנות צורות שונות. במסגרת המחקר, המדענים הצליחו לייצר מבנים הדומים לספירלה, לרצועות מפותלות ולחוטים כפולים מפותלים. ניסויים שערכו החוקרים הראו כי המבנים החדשים נעים במהירות הדומה למבנים קודמים, אולם הם נבדלים בכך שפני השטח שלהם גדולים פי 4 מהקודמים. “תכונה זו הופכת את המבנים החדשים שלנו למרתקים יותר מבחינת היישומים האפשריים,” אומר אחד מהחוקרים.

אם חוקרים ירצו להשתמש במבנים אלו על מנת להעביר תרופות או גלאים כימיים לתוך יעדים מוגדרים בתוך הגוף, יהיה עליהם להיות מצופים במולקולות המתאימות; וככל ששטח הפנים גדול יותר, כך ניתן יהיה לשאת כמות גדולה יותר להעברה. החוקרים הדגימו כי אכן ניתן לעשות כך, זאת ע”י ציפוי המבנים בצורת מנועים ספירליים בנוגדנים, שהם חומרים ביו-רפואיים חשובים ומעניינים. “אולם, המחקר שלנו חשוב לא רק בזכות הנעתם של מיקרו-רובוטים,” מציין החוקר הראשי. “הטכנולוגיה החדשנית שלנו תוכל לשמש גם עבור ייצורם של מיקרו-עצמים אחרים בעלי תכונות מגנטיות מוגדרות ונשלטות.”

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר