Арт. RECIRCULATION PACK
Аннотация
Способность искусственных микропловцов реагировать на внешние воздействия и детали их происхождения относятся к наиболее спорным проблемам в междисциплинарной науке. При этом создание химических градиентов является технически сложной задачей, поскольку они быстро выравниваются из-за диффузии. Вдохновленные ключевыми экспериментами по остановке потока в химической кинетике, мы показываем, что создание градиента в микрофлюидике в сочетании с петлей обратной связи по давлению для точного контроля остановки потоков может позволить нам изучить хемотаксис искусственных микромоторов Janus, основанных на каталитической реакции. Мы обнаружили, что эти медные частицы Janus демонстрируют хемотаксическое движение вдоль градиента концентрации как в положительном, так и в отрицательном направлении, и продемонстрировали механическую реакцию частиц на несбалансированные силы сопротивления, объясняющую такое поведение.
Мотивация - понимание живых систем в микромасштабе
Если взглянуть на естественные навыки выживания большинства живых существ на Земле, от бактерий до человека, то одной из общих черт является миграция в поисках пищи. Однако если сейчас довольно легко понять механизмы, побуждающие вашего соседа Чарли отправиться в супермаркет и купить продукты для прекрасного ужина, то, когда речь идет об изучении способов поиска питательных веществ самодвижущимися микроорганизмами, это совсем другая история. В таких масштабах, и особенно в неравновесных физических явлениях, многое отличается от макромира; массо- и теплообмен усиливается, вязкие силы преобладают над инерционными, что по определению является свойством низкого числа Рейнольдса, тепловые флуктуации становятся не пренебрежимо малыми. Понимание поведения таких микросистем требует междисциплинарного подхода, при котором биология, физика и химия тесно взаимосвязаны. В данном исследовании внимание сосредоточено на физической реакции искусственных микроводорослей на градиент концентрации топлива. Микропловцы представляют собой микрочастицы кремнезема, наполовину покрытые тонким слоем меди [P. Sharan, 2021]. При контакте с перекисью водорода медная сторона разлагает топливо с образованием кислорода и воды, и эта химическая реакция инициирует движение частиц.
Рисунок 1 - Иллюстрация каталитической реакции, приводящей в движение самораспространяющиеся микрочастицы, и SEM-изображение частицы Cu@SiO2.
Как микрофлюидика используется для изучения микропловцов?
Микрофлюидика в основном использовалась для создания искусственных или биогибридных микровихрей, но недавно был исследован ее потенциал для создания микросреды [P. Sharan, A. Nsamela, 2021]. В данной работе целью было проведение анализа хемотаксиса в четко определенном градиенте перекиси водорода без каких-либо внешних потоков. Обеспечение нулевого потока в микрофлюидике не является тривиальной задачей, особенно когда такие легкие микрочастицы ощущают малейший поток (намного ниже предела обнаружения обычных датчиков потока). Для этой цели была разработана платформа с контроллером потока Elveflow, управляемым давлением, которая сочетает в себе генерацию градиента и остановку потока. Набор микрофлюидных гидрораспределителей с контроллером позволяет вводить образец в микрофлюидный чип, а ретроактивная петля давления обеспечивает отсутствие разницы давления в микрофлюидной установке во время остановки потока. На ESI Elveflow была создана короткая последовательность для автоматического создания градиента и остановки потока. Видео частиц записывалось в первые 30 секунд после остановки потока.
Рисунок 2 - Схема микрофлюидной установки и снимок последовательности ESI для автоматического создания градиента и остановки потока.
Основные выводы по хемотаксису микроплавцов
В микрофлюидном чипе был достигнут стабильный градиент на основе потока, когда активные частицы текли в потоке воды. Как только поток останавливался, частицы могли свободно перемещаться в микрофлюидном чипе. Мы обнаружили, что:
- Наблюдалась четкая тенденция к тому, что частицы плыли вниз или вверх по градиенту топлива, по сравнению с контрольным экспериментом (без градиента).
- Эта тенденция зависит от начальной концентрации топлива, практически не изменяясь при концентрации ниже 0,1% H2O2.
- Это явление объясняется изменением силы сопротивления, испытываемой частицами с ориентацией, отклоняющейся от градиента, что заставляет их переориентироваться в сторону более концентрированной области.
- По симметрии, частицы с первоначальной ориентацией вниз по градиенту не будут затронуты этим механическим изменением ориентации.
Следующие шаги включают тестирование этой платформы с другими типами микроплавцов и топливом, чтобы получить большее представление о физике, лежащей в основе хемотаксиса [M. N. Popescu, 2018].
Рисунок 3 - Иллюстрация анализа хемотаксиса с искусственными микровихрями на различных этапах: (i) создание градиента на основе потока и введение частиц, (ii) остановка потока, (iii) наблюдение за направлением плавания частиц в затухающем градиенте.
