Как научить нанороботов плавать и доставлять лекарства

Учёные из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН придумали новый магнитный материал, с помощью которого умные нанороботы смогут доставлять лекарства к опухоли или бороться с болезнетворными микроорганизмами. О том, как это будет работать, какие здесь ещё возможны применения и что такое химический магнит, рассказывает Борис Кичатов, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории активных коллоидных систем.

— Борис Викторович, чем занимается ваша лаборатория?

— Мы занимаемся исследованием нано- и микромоторов — устройств, способных использовать энергию либо окружающей среды, либо запасённую в них самих, и способных двигаться самостоятельно. Несмотря на большое разнообразие исследований в данной области, вариантов механизмов, ответственных за перемещение нано- и микророботов, в настоящее время существует весьма ограниченное количество. Попросту говоря, их можно пересчитать на пальцах двух рук. Это, например, электро- и диффузофорез, диэлектрофорез, течение Марангони и некоторые другие. В эту немногочисленную копилку механизмов для перемещения нано- и микророботов мы внесли свой вклад. Мы разработали новый механизм, который условно можно назвать «явление химического магнетизма».

— Насколько я понимаю, нанороботы нужны, прежде всего, для доставки лекарств по кровеносным сосудам?

— В том числе. Во всём мире сейчас создаются роботы нано- или микроразмерного масштаба, которые могут выполнять различные задачи, в том числе связанные с биомедициной, когда в кровеносный сосуд запускается инъекция из таких моторов, несущих на себе лекарственное соединение. Они достигают раковой опухоли и могут бороться с ней. Можно их принимать и перорально, через рот.

— То есть, принять вещество, начинённое такими моторами?

— Именно так. Благодаря активному движению они способны за единицу времени охватить большой объём в желудке или кишечнике, например, для того чтобы эффективно бороться с бактериями. Один из самых перспективных механизмов перемещения моторов связан с использованием энергии магнитного поля. Для того чтобы робот двигался, в его состав должен входить тот или иной магнитный материал. Магнитные свойства различных материалов весьма сильно отличаются друг от друга. Наибольшим коэффициентом магнитной восприимчивости обладают ферромагнитные металлы, такие как железо, кобальт и никель, но их, к сожалению, не всегда возможно внедрять в состав подвижных роботов. При этом парамагнитные и диамагнитные металлы обладают существенно меньшим коэффициентом магнитной восприимчивости по сравнению с ферромагнитными металлами, а потому на роботы, изготовленные из таких металлов, в неоднородном магнитном поле действует существенно меньшая магнитная сила.

— А повысить этот коэффициент никак нельзя?

— Именно этим вопросом мы и задались. Можно ли каким-то образом увеличить коэффициент магнитной восприимчивости робота, изготовленного из парамагнитных или диамагнитных металлов? В качестве первого шага мы создали модель робота, которая ещё далека от практического воплощения, но она позволила нам изучить все особенности данного процесса. На эту тему мы совсем недавно опубликовали статью в высокорейтинговом научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

С этой целью нами был создан биметаллический пловец — пластинка, состоящая из двух разнородных металлов. Эти разнородные части пловца выполняют роль катода и анода. Пловец помещается на поверхность раствора электролита…

— А почему вы не взяли просто воду?

— Если мы поместим такого пловца на поверхность обычной воды, никаких химических реакций при этом протекать не будет. А нам это совершенно необходимо. В неоднородном магнитном поле пловец, изготовленный из диамагнитных металлов, будет выталкиваться из области магнитного поля и двигаться в направлении уменьшения его напряжённости. Если он изготовлен из парамагнитных металлов, то он будет, наоборот, двигаться в направлении увеличения напряжённости магнитного поля.

В процессе эксперимента мы измеряли, под действием какого градиента магнитного поля возможно перемещения для такого рода пловца. Магнитная сила, действующая на пловца, пропорциональна градиенту поля. Если градиент магнитного поля маленький, то сила инерции и сила трения, действующие на робот, значительно больше, чем магнитная сила, и такой пловец двигаться не сможет.

Затем мы поместили нашего пловца, изготовленного из цинка и меди, на поверхность раствора электролита сульфата меди. В этом случае запускается окислительная-восстановительная реакция. При этом цинк будет окисляться, в результате чего образуются ионы цинка, а медь из раствора будет восстанавливаться. При протекании такого рода химических реакций через металл будут двигаться электроны от цинка к меди, а в растворе электролита будут двигаться ионы. Таким образом, наш пловец охвачен петлёй с током. Известно, что на любую петлю с током в неоднородном магнитном поле действует магнитная сила.

Мы создали такую петлю с током, чтобы на нашего пловца в магнитном поле начала действовать дополнительная магнитная сила. В наших экспериментах неоднородное магнитное поле создавалось с помощью постоянного магнита. Мы показали, что в случае протекания химических реакций в системе, наш пловец способен двигаться при весьма малых градиентах магнитного поля. Это означает, что магнитная сила, которая на него действует, возросла за счёт роста коэффициента магнитной восприимчивости. Фактически мы сделали первый важный шаг к созданию химического магнита.

— Но ведь это не наномагнит?

— Пока что нет. Мы пока сделали макроскопическое устройство, но основную идею этого робота можно перенести и на наноуровень. Например, путём напыления металлов в нанопоры можно создать наноразмерный биметаллический робот. Представьте себе жидкость, в которой диспергированы такого рода микро- или наночастицы, и эта жидкость будет магнитной при условии, что в ней протекают химические реакции. Если реакции есть, магнетизм возникает, и наоборот.

— И для чего это нужно?

— Это нужно для создания микро-нанороботов, которые способны двигаться в химической среде даже под действием слабых магнитных полей. Вторая возможность, как мы уже поняли, — биосенсоры и системы доставки лекарств. Такого рода частицы погружаются в соответствующую среду, и если там протекает химическая реакция, то изменяется магнитная восприимчивость среды, и это состояние можно детектировать.

Это важно и с фундаментальной точки зрения. Мы знаем, что слабые магнитные поля не влияют на химические реакции. Представьте, что вы идёте мимо провода, по которому течёт электрический ток. Вы находитесь в области переменного магнитного поля, но ничего с вами не происходит, хотя в вашем кровотоке ежесекундно протекает свыше 15 миллионов химических реакций. Возникает вопрос: а верно ли обратное? Оказывается, нет. Химические реакции способны порождать магнитные явления, и это очень интересное наблюдение.

Ещё мы исследовали всевозможные параметры, от которых может зависеть химический магнетизм. Например, известно, что коэффициент магнитной восприимчивости для железа с повышением температуры уменьшается. А в нашем материале, химическом магните, наоборот, с повышением температуры магнетизм усиливается, потому что усиливается интенсивность протекания химической реакции.

— Если вернуться к доставке лекарств, то чем разработанный вами метод лучше, чем уже существующие?

— Чем вообще интересны наночастицы? У них отношение площади поверхности к объёму очень велико. Представьте, что на поверхности мы поместили какое-то лекарственное соединение, а потом при помощи магнитного поля станем двигать эти частицы в заданное место. Если мы просто сделаем пациенту укол с такими наночастицами, то диффузия может разбросать это лекарственное вещество по всему организму. А лекарства, особенно для больных раком, часто весьма токсичны и могут быть радиоактивными. Тут же мы доставляем лекарство чётко к заданному месту, используя для этого магнитное поле, которое прекрасно тем, что проникает глубоко в ткани и безвредно для человека.

Но сила, которая действует на эти наномоторы, должна быть больше, чем внешнее броуновское воздействие со стороны молекул окружающей жидкости, иначе моторы не смогут двигаться. Как я уже сказал, спектр материалов, которые имеют большой коэффициент магнитной восприимчивости, чрезвычайно узок. При обычной температуре это железо, кобальт и никель. Мы придумали метод, как можно увеличить коэффициент магнитной восприимчивости для других металлов.

Конечно, биомедицина — это только одна из многочисленных возможностей, которые может открыть этот метод. Ещё такие системы можно использовать в процессах, связанных с химическими технологиями — например, в процессах сепарации. А многого мы пока даже не предполагаем. Главная ценность нашей работы состоит в том, что мы добавили в немногочисленную коллекцию известных методов перемещения роботов совершенно новый и нетривиальный механизм, который по своей сути не сводится к ранее известным.