Migliori microazionamenti per il trasporto di massa nei liquidi

Gli scienziati stanno studiando elementi di trasmissione di dimensioni micrometriche che in futuro potrebbero consentire di trasportare farmaci o molecole di sensori chimici in punti specifici del corpo. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora compiuto un passo decisivo nello sviluppo di questi micromotori: una nuova tecnica di produzione e un nuovo materiale consentono di produrre questi minuscoli elementi di azionamento in qualsiasi forma e di ottimizzarli per applicazioni future.

Gli elementi di trasmissione allungati, che possono muoversi nei liquidi, sono elicoidali e magnetici. Chi siamo li aziona con un campo magnetico rotante esterno: si allineano al campo magnetico e ruotano intorno al proprio asse longitudinale. Grazie alla loro forma elicoidale, si muovono in avanti nel liquido.

Con le precedenti tecniche di produzione, le proprietà magnetiche dipendevano dalla forma dei micro-oggetti, come spiega il dottorando Christian Peters del gruppo di Christofer Hierold, professore di micro e nanosistemi. Ciò ha reso difficile per i ricercatori sviluppare elementi di azionamento controllabili e tracciabili con precisione. "In precedenza, questi elementi oscillavano quando si muovevano in avanti e non erano molto efficienti perché le loro proprietà magnetiche non erano ideali", spiega Peters. "Tuttavia, ora abbiamo sviluppato un materiale e una tecnica di produzione con cui possiamo determinare le proprietà magnetiche indipendentemente dalla geometria dell'oggetto".

Micro stampante 3D

Gli scienziati hanno utilizzato una resina epossidica biocompatibile sensibile alla luce in cui hanno incorporato nanoparticelle di magnetite. In una prima fase di polimerizzazione parziale, hanno esposto un sottile strato di questo materiale a un campo magnetico. Questo ha magnetizzato le nanoparticelle e allo stesso tempo le ha disposte in linee parallele. L'orientamento di queste linee determina le proprietà magnetiche del materiale. I ricercatori hanno prodotto le minuscole strutture a vite dal film epossidico modificato utilizzando la cosiddetta polimerizzazione a due fotoni. Questa tecnica è più o meno una micro stampante 3D: il punto focale di un raggio laser viene spostato tridimensionalmente nello strato di resina epossidica sotto il controllo del computer, indurendo la resina localmente. Le aree non indurite possono poi essere lavate via con un solvente.

I ricercatori hanno prodotto strutture a vite lunghe 60 micrometri e con un diametro di nove micrometri, con magnetizzazione ad angolo retto rispetto all'asse longitudinale. Sarebbe impossibile produrre un oggetto con tali proprietà magnetiche con i metodi convenzionali. Questo perché la magnetizzazione preferita di solito corre - come l'ago di una bussola - nella direzione dell'asse longitudinale di un oggetto. I nuovi elementi di azionamento possono essere controllati con precisione, nuotano quasi quattro volte più velocemente degli elementi precedenti e non oscillano.

Nuove forme con una superficie più ampia

Mentre i precedenti elementi di micromotore prodotti in modo diverso avevano solitamente la forma di un cavatappi (un'elica), gli scienziati dell'ETH possono ora produrre anche forme modificate grazie alla tecnologia di microproduzione 3D. Nel loro studio hanno prodotto strutture simili a nastri attorcigliati a spirale e a fili a doppia torsione. I test hanno dimostrato che questi stampi si muovono nel liquido a una velocità simile a quella degli elementi di trasmissione a forma di cavatappi. Tuttavia, si differenziano da questi ultimi perché la loro superficie è da due volte e mezzo a quattro volte più grande. "Questo li rende più interessanti per alcune applicazioni", spiega Salvador Pané, collaboratore scientifico del gruppo di Bradley Nelson, professore di Robotica e sistemi intelligenti.

Se in futuro questi elementi dovessero essere utilizzati per trasportare farmaci o molecole di sensori chimici in punti specifici del corpo, gli elementi di trasmissione verrebbero rivestiti con le molecole corrispondenti. Più grandi sono le superfici di questi elementi, più grandi sono le quantità di sostanze che possono essere trasportate. I ricercatori hanno dimostrato che in principio è possibile rivestire le strutture con sostanze di interesse biomedico accoppiando anticorpi alla superficie dei motori a vite.

"Tuttavia, non siamo interessati solo all'applicazione nei microdrive", afferma Peters. "Il lavoro è il frutto di diversi anni di ricerca congiunta di due cattedre del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi nei campi della tecnologia dei microsistemi e della microrobotica, aggiunge Pané. Il gruppo del professor Nelson dell'ETH ha un'esperienza pluriennale nella produzione e nell'applicazione di elementi magnetici flottanti, mentre il gruppo del professor Hierold dell'ETH è esperto nell'applicazione di nuovi materiali funzionali nei microsistemi.