Elektrické polia navigujú nanočastice v bludisku: Nový prístup pre cielené liečivá a čistenie

Nová metóda presného riadenia nanočastíc pomocou elektrických polí v poróznych materiáloch otvára dvere inovatívnym aplikáciám v medicíne a priemysle.

Elektrické polia sú všadeprítomné, od obrazoviek čítačiek Kindle až po medicínske diagnostické zariadenia a systémy na čistenie liekov proti rakovine. Princíp je jednoduchý: elektrické pole pôsobí silou na akúkoľvek nabitú časticu, čo umožňuje jej presné posúvanie.

Výskumný tím sa zameral na využitie elektroforézy – pohybu nabitých častíc v tekutine pod vplyvom elektrického poľa – na riadenie nanočastíc v poróznych materiáloch. Tieto materiály sú kľúčové v moderných technológiách, ako je analýza DNA a medicínska diagnostika.

Schopnosť presne ovládať pohyb týchto drobných častíc v poréznych prostrediach by mohla zlepšiť existujúce technológie a umožniť vývoj úplne nových inteligentných funkcií. Cieľom vedcov je vytvoriť nanočastice schopné vykonávať zložité úlohy v tele alebo v prostredí, napríklad vyhľadávať nádory a doručovať liečbu, alebo neutralizovať toxické látky v pôde.

Komentár redakcie: Táto práca je súčasťou rozsiahlejšej snahy o pochopenie vplyvu obmedzenia a hraníc na pohyb objektov v nanoměřítku. S miniaturizáciou technológií je pochopenie interakcií častíc s povrchmi kľúčové pre návrh efektívnych malých zariadení.

Nová štúdia publikovaná v Proceedings of the National Academy of Sciences popisuje, ako tím inžinierov vedený Anni Shi a Siamakom Mirfendereskim skúmal správanie nanočastíc v poréznom prostredí pod vplyvom elektrického poľa.

Predstavte si nanočasticu ako miniatúrnu ponorku, ktorá sa pohybuje v spleti prepojených kanálov naplnených tekutinou a zároveň je vystavená náhodnému pohybu. Vedci zistili, že sila elektrického poľa má zásadný vplyv na jej správanie.

Slabé elektrické pole funguje ako akcelerátor, zvyšuje rýchlosť častice a pravdepodobnosť nájdenia východu z dutiny, ale neposkytuje smerové vedenie. Je to rýchly, ale náhodný pohyb.

Naopak, silné elektrické pole poskytuje presné „GPS súradnice“, ktoré nútia časticu pohybovať sa rýchlo a cielene v konkrétnom smere.

Tento objav naznačuje možnosť presného ovládania pohybu nanočastíc. Použitím slabého poľa je možné dosiahnuť rýchle a náhodné prehľadávanie prostredia, zatiaľ čo silné pole umožňuje cielené doručovanie nákladu. Detailnejšie skúmanie ukázalo, že slabé pole spôsobuje prúdenie tekutiny v malých dutinách materiálu, čo podporuje náhodný pohyb častice a jej presun k stenám. Pohyb po stenách výrazne zvyšuje pravdepodobnosť nájdenia únikovej cesty. Silné pole prekonáva náhodný pohyb častice a prúdenie tekutiny, čím zabezpečuje jej predvídateľný pohyb v smere elektrického poľa.

Kombináciou laboratórnych pozorovaní s počítačovým modelovaním vedci podrobne sledovali pohyb nanočastíc v štruktúrovanom poréznom materiáli a simulovali fyzikálne procesy, ktoré ovplyvňujú ich správanie.

Táto technológia by mohla mať zásadný dopad na presné mikroskopické transportné systémy, ako sú systémy na doručovanie liečiv do špecifických tkanív alebo priemyselné separačné procesy na čistenie chemikálií a filtrovanie kontaminantov.

Schopnosť nezávisle riadiť rýchlosť a smer pohybu častíc pomocou slabých a silných polí otvára cestu k vývoju efektívnejších diagnostických nástrojov a čistiacej techniky.

Budúci výskum sa zameria na určenie limitov tejto metódy, skúmanie ovplyvniteľnosti častíc rôznych veľkostí a testovanie jej spoľahlivosti v komplexných biologických prostrediach. Kľúčové bude pochopenie mechanizmu, ktorý stojí za zrýchlením častíc v slabom elektrickom poli. Cieľom je premeniť ovládanie nanočastíc z pokusov a omylov na spoľahlivú a predvídateľnú vedu.