شماتیک قسمت (a) نشان دهندهی فرآیند چسبندگی یک باکتری خودران بر روی یک سطح پوشش داده شده بر اساس یک موچین هولوگرافی(HOT) ست.
تصویر زمینه نشان میدهد که چندین باسلیوس سوبتیلیس (Bacillus subtilis) متصل به یک سطح پوشش داده شده هستند و (b) فلشهای قرمز در تصویر جریان مایع محیطی ناشی از تحریک باکتریایی را نشان میدهد.
در چند سال اخیر روشهای مختلفی برای بهرهبرداری ازحرکت نانوموتور باکتریایی استفاده شده است. به عنوان مثال، از باکتریهای خودران، مانند اشرشیاکلیو باسلیوس سویتیلیس (subtilis Bacillus)، متصل بر روی سطوح جامد (فرش باکتریایی)، برای پمپ مایعات و به منظور بهبود روند مخلوط کردن درسیستمهای میکروسیال استفاده شده است. همچنین از میکروسفرهای متداول تا اشیاءپیچیده تر غیر جاندارمانند چرخ دندههای میکروسکوپی، برای حمل و نقل و چرخش میکروذرات استفاده شده است.
یک پیش نیاز برای استفاده منطقی از چنین موتورهای بیولوژیکی بطور کارآمد، روش اتصال است (اتصال یک و یا انبوهی ازسلولهای بیولوژیکی به یک سطح خاص و یا میکروذرات به شیوهای تعریف شده) که به بهترین کنترل ممکن ازمکان و وضعیت هر سلول میانجامد.
فرآیند الگودهی میکرویی (micropatterning) و مونتاژ میکرویی (microassembly) نیاز به تلاش نسبتا زیاد، مواد مناسب و دانش ضمنی استفاده از این مواد و تجهیزات دارد. علاوه بر این، فرایند کنترل باکتریها بسیار محدود است، و این رویکرد فاقد ویژگیهایی چون انعطافپذیری و قابلیت شکل پذیری مجدد با توجه به آرایشهای جدید است.
کورنلیا دنز، آلوارو باروسو، فلوریان هورنر، و لاندورساز از موسسه فیزیک کاربردی(IAP) در دانشگاه مونستر آلمان، یک راه حل کلی برای این مشکل مطرح کردهاند که شامل استفاده از انبرکهای نوری هولوگرافی است (HOT). در این روش، میتوان دهها تله نوری برای کنترل مونتاژ تک باکتریها درمکانهای خاص ایجاد کرد.
برای دستیابی به چشم انداز ایجاد دامهای نوری، تیم تحقیق یک پرتو لیزر را با استفاده از مدولاتور نور فضایی تک فاز(SLM)، مدوله میکند. این کار برای تولید انبرکهای نوری در صفحهی نمونه است. هر یک ازتلههای نوری میتواند به طور مستقل در زمان حقیقی کنترل شود به طوری که چندین سلول باکتریایی و ذرات را می توان به طور همزمان دستکاری کرد.
علاوه بر این، انتخاب مناسب طول موج لیزر(در اینجا۱۰۶۴ نانومتر)، میزان توان، و مدت زمان در معرض تابش قرار گرفتن تضمین میکند که نور جذب شده توسط نمونههای بیولوژیکی برای آسیبهای جدی در هنگام مونتاژ ناکافی است.
این محققان با ترکیب سه بعدیHOT باکتریهای متعدد و سطوح پیوست کنترل شده که با نقشهای مشخص تدارک دیده شده بودند، تحریک میکروسیستمها توسط باکتری خودران را نشان دادهاند.
در طرح اول، آنها از لحاظ نوری به دام افتادند، حرکت کردند و آرایه های چندین سلول باکتریایی به صورت کنترل شده بر روی صفحات همگن و ارزان قیمتی که دارای پوشش پلی استیرن بودند، پیوست شدند (شکل را مشاهده کنید).
همانطور که در تصویر بنابر موقعیت نسبی مرتبط آنها در تصویر نشان داده شده است، پس از اعمال پرتو لیزر به عنوان دام، باکتری شروع به چرخش میکند. معمولا در فرکانسهای پایین(چندهرتز)، حول یک محور چرخش در مجاورت جسم سلولی است. این باکتریها به وضوح متحرک هستند اما نکته جالب آن است که با تبعیت از یک مدل مکانیکی ساده تنها توسط یک تاژک به سطح متصل شدهاند.
به این طریق،چرخش باکتریهای میکروسیستم (Microsystem) باعث ایجاد یک جریان پیوسته است که می تواند باعث مخلوط شدن مایعات و یا ایجاد حرکتهایی در مایعات، بعنوان سیال پویا، شود.
تیم تحقیقاتی مذکور در جهت مونتاژ میکرورباتهای زیست-ترکیبی شامل یک تک باکتری خودران و یک تک ذرهی حمل بار، با بکارگیری توانایی HOT، کنترل پویا و ترتیب و آرایش دادن دهها ذرهی نانو کروی (nonspherical) در هر پیکربندی و آرایش مطلوب را به انجام رساندند.
نیروی محرکه مونتاژ نوری میکرورباتها، پتانسیل این روش را به عنوان یک استراتژی قدرتمند برای ساخت میکرورباتهای زیست- ترکیبی نشان میدهد. که میتواند به عنوان وسیلهای برای حمل و انتقال در زمینهی انتقال دارو به مکانهای غیر قابل دسترس مفید واقع شود.
در آینده، این گروه قصد استفاده از ظروف و قالبهای نانوی (nanocontainers) تدارک دیده شده با مولکولهای زیستی را دارد. زیرا قالبهای مذکور برای تعامل با سطح سلول شناخته شده هستند. این مرحله، فرصتهای آینده را برای ساخت سیستمهای میکروربات زیست-پزشکی فراهم خواهد کرد.
تصویر زمینه نشان میدهد که چندین باسلیوس سوبتیلیس (Bacillus subtilis) متصل به یک سطح پوشش داده شده هستند و (b) فلشهای قرمز در تصویر جریان مایع محیطی ناشی از تحریک باکتریایی را نشان میدهد.
در چند سال اخیر روشهای مختلفی برای بهرهبرداری ازحرکت نانوموتور باکتریایی استفاده شده است. به عنوان مثال، از باکتریهای خودران، مانند اشرشیاکلیو باسلیوس سویتیلیس (subtilis Bacillus)، متصل بر روی سطوح جامد (فرش باکتریایی)، برای پمپ مایعات و به منظور بهبود روند مخلوط کردن درسیستمهای میکروسیال استفاده شده است. همچنین از میکروسفرهای متداول تا اشیاءپیچیده تر غیر جاندارمانند چرخ دندههای میکروسکوپی، برای حمل و نقل و چرخش میکروذرات استفاده شده است.
یک پیش نیاز برای استفاده منطقی از چنین موتورهای بیولوژیکی بطور کارآمد، روش اتصال است (اتصال یک و یا انبوهی ازسلولهای بیولوژیکی به یک سطح خاص و یا میکروذرات به شیوهای تعریف شده) که به بهترین کنترل ممکن ازمکان و وضعیت هر سلول میانجامد.
فرآیند الگودهی میکرویی (micropatterning) و مونتاژ میکرویی (microassembly) نیاز به تلاش نسبتا زیاد، مواد مناسب و دانش ضمنی استفاده از این مواد و تجهیزات دارد. علاوه بر این، فرایند کنترل باکتریها بسیار محدود است، و این رویکرد فاقد ویژگیهایی چون انعطافپذیری و قابلیت شکل پذیری مجدد با توجه به آرایشهای جدید است.
کورنلیا دنز، آلوارو باروسو، فلوریان هورنر، و لاندورساز از موسسه فیزیک کاربردی(IAP) در دانشگاه مونستر آلمان، یک راه حل کلی برای این مشکل مطرح کردهاند که شامل استفاده از انبرکهای نوری هولوگرافی است (HOT). در این روش، میتوان دهها تله نوری برای کنترل مونتاژ تک باکتریها درمکانهای خاص ایجاد کرد.
برای دستیابی به چشم انداز ایجاد دامهای نوری، تیم تحقیق یک پرتو لیزر را با استفاده از مدولاتور نور فضایی تک فاز(SLM)، مدوله میکند. این کار برای تولید انبرکهای نوری در صفحهی نمونه است. هر یک ازتلههای نوری میتواند به طور مستقل در زمان حقیقی کنترل شود به طوری که چندین سلول باکتریایی و ذرات را می توان به طور همزمان دستکاری کرد.
علاوه بر این، انتخاب مناسب طول موج لیزر(در اینجا۱۰۶۴ نانومتر)، میزان توان، و مدت زمان در معرض تابش قرار گرفتن تضمین میکند که نور جذب شده توسط نمونههای بیولوژیکی برای آسیبهای جدی در هنگام مونتاژ ناکافی است.
این محققان با ترکیب سه بعدیHOT باکتریهای متعدد و سطوح پیوست کنترل شده که با نقشهای مشخص تدارک دیده شده بودند، تحریک میکروسیستمها توسط باکتری خودران را نشان دادهاند.
در طرح اول، آنها از لحاظ نوری به دام افتادند، حرکت کردند و آرایه های چندین سلول باکتریایی به صورت کنترل شده بر روی صفحات همگن و ارزان قیمتی که دارای پوشش پلی استیرن بودند، پیوست شدند (شکل را مشاهده کنید).
همانطور که در تصویر بنابر موقعیت نسبی مرتبط آنها در تصویر نشان داده شده است، پس از اعمال پرتو لیزر به عنوان دام، باکتری شروع به چرخش میکند. معمولا در فرکانسهای پایین(چندهرتز)، حول یک محور چرخش در مجاورت جسم سلولی است. این باکتریها به وضوح متحرک هستند اما نکته جالب آن است که با تبعیت از یک مدل مکانیکی ساده تنها توسط یک تاژک به سطح متصل شدهاند.
به این طریق،چرخش باکتریهای میکروسیستم (Microsystem) باعث ایجاد یک جریان پیوسته است که می تواند باعث مخلوط شدن مایعات و یا ایجاد حرکتهایی در مایعات، بعنوان سیال پویا، شود.
تیم تحقیقاتی مذکور در جهت مونتاژ میکرورباتهای زیست-ترکیبی شامل یک تک باکتری خودران و یک تک ذرهی حمل بار، با بکارگیری توانایی HOT، کنترل پویا و ترتیب و آرایش دادن دهها ذرهی نانو کروی (nonspherical) در هر پیکربندی و آرایش مطلوب را به انجام رساندند.
نیروی محرکه مونتاژ نوری میکرورباتها، پتانسیل این روش را به عنوان یک استراتژی قدرتمند برای ساخت میکرورباتهای زیست- ترکیبی نشان میدهد. که میتواند به عنوان وسیلهای برای حمل و انتقال در زمینهی انتقال دارو به مکانهای غیر قابل دسترس مفید واقع شود.
در آینده، این گروه قصد استفاده از ظروف و قالبهای نانوی (nanocontainers) تدارک دیده شده با مولکولهای زیستی را دارد. زیرا قالبهای مذکور برای تعامل با سطح سلول شناخته شده هستند. این مرحله، فرصتهای آینده را برای ساخت سیستمهای میکروربات زیست-پزشکی فراهم خواهد کرد.