Naar de content

Het bouwen van microrobots begint bij de knie

Leidse onderzoekers maken verschillende gewrichten van microbolletjes

Indrani Chakraborty/Daniela Kraft met toestemming

Microrobots van de toekomst, die materialen repareren of medicijnen in het lichaam afleveren, hebben hun knieën gekregen. Deze microgewrichten werden gemaakt door Leidse wetenschappers die daarvoor microscopische bollen en kubussen aan elkaar koppelden met stukjes DNA.

Al jaren verschijnen berichten over nanorobots. Deze minuscule machientjes reizen door je bloedvaten om op precies de juiste plek een medicijn af te leveren, of de kleinste barstjes in een materiaal te repareren. Sciencefiction? De Nederlandse Nobelprijswinnaar Ben Feringa liet in 2011 voor het eerst zien dat hij daadwerkelijk een nano-auto kon bouwen die over een oppervlak rijdt. De auto van Feringa was enkele nanometers lang, tienduizenden keren kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

Op grotere, maar nog steeds bijzonder kleine, schaal werken Leidse wetenschappers aan microstructuren. Honderd tot duizend keer groter dan de nanowagen van Feringa, maar nog tientallen keren dunner dan een haar. Onderzoekers onder leiding van universitair docent Daniela Kraft van de Universiteit Leiden lieten vorig jaar al zien dat ze redelijke controle hadden bij het maken van microdeeltjes met een bepaalde vorm. Het is ze nu gelukt om een soort gewrichten te maken door microbollen en -kubussen losjes aan elkaar te binden met korte stukjes DNA. Het onderzoek werd vorige week in het wetenschappelijke tijdschrift Nanoscale gepubliceerd.

Verschillende nanodeeltjes van silica onder de microscoop.

 Indrani Chakraborty/Daniela Kraft met toestemming

Bollen binden

Het werk van de Leidenaren is nog nét met een lichtmicroscoop te zien: de wetenschappers gebruikten bolletjes en kubussen van één tot enkele micrometers groot. De buitenkant van die deeltjes was van silica (hetzelfde materiaal als zand) met daaroverheen een dun vetlaagje en daar loodrecht ingeprikt zaten korte stukjes DNA (niet met de microscoop te zien).

De gewrichten ontstaan door verschillende microdeeltjes te combineren. Een kleine bol die over het oppervlak van een grotere bol beweegt is een minuscuul kogelgewricht, een bol die over de zijkant van een kubus glijdt (en niet om de hoek kan) is een schuifgewricht, en een kleine bol die tussen twee grotere bollen draait, is een scharniergewricht.

Maar hoe plak je die microdeeltjes op een specifieke manier aan elkaar? Dat is lastig door hun afmeting. Er zijn zogenoemde optische pincetten waarmee het kan, maar een veel handigere strategie blijkt om ze zichzelf te laten bouwen. Moeder natuur helpt namelijk: in een vloeistof klonteren dit soort deeltjes graag samen. Punt is dat je aan willekeurige samenklonteringen niet zoveel hebt.

Puzzelstukjes

Door DNA-stukjes met een bepaalde code te gebruiken zijn de wetenschappers nu in staat het ‘klonteren’ te sturen en precies te bepalen welke deeltjes moeten binden. DNA is het langgerekte molecuul dat ons lichaam gebruikt om de genetische code in op te slaan. In dit onderzoek dient het als een ‘moleculaire lijm’. Aan de ene kant bindt het molecuul aan een microbol, het andere deel steekt de vloeistof in. Dit vrije deel kan vervolgens binden met een ander stuk DNA dat er precies op past en aan een ander microdeeltje zit.

Handig van DNA is dat het alleen bindt met een ander stuk DNA met een zogenoemde complementaire code. Het zijn als het ware twee puzzelstukjes die alleen maar op elkaar passen. Door het oppervlak van verschillende microdeeltjes te bezaaien met bepaalde DNA-stukjes konden de wetenschappers precies bepalen welke deeltjes aan elkaar binden. Verschillende configuraties leverden zo scharnier-, schuif- en kogelgewrichten.

Verschillende soorten nanoscharnieren werden ontwikkeld. Vergroot voor meer uitleg.

 Daniela Kraft/Universiteit Leiden met toestemming

Volgens Kraft was het een kunst om de juist hoeveelheid DNA te vinden voor precies de goede beweeglijkheid van de gewrichten. De DNA-moleculen kunnen in principe vrij over het oppervlak van de deeltjes bewegen, maar bij een te hoge concentratie vormen de microdeeltjes zoveel verbindingen dat ze niet of nauwelijks meer bewegen. Het gewricht zit op slot.

Aandrijven

Het DNA biedt ook de mogelijkheid om deze simpele ‘robot-onderdelen’ uit te laten groeien tot veel complexere systemen. “Door verschillende DNA-codes te gebruiken krijg je onderdelen die alleen maar met een specifiek ander onderdeel binden”, zegt Kraft. “Je kunt alle onderdelen van je robot bij elkaar stoppen en wachten tot hij zich vanzelf opbouwt.”

Terwijl de gewrichten van Kraft vanzelf heen en weer bibberen, zijn grotere structuren minder beweeglijk. De spontane bewegingen zijn het gevolg van de willekeurige trillingen van de moleculen (de temperatuur). Bij grotere objecten middelen deze trillingen uit en verdwijnt die zogenoemde Brownse-beweging. Voor een wat groter robotje heb je dus kracht nodig: een motor die hem aandrijft. Dat is mogelijk, want er zijn al micro- en nanosystemen die aan te drijven zijn met licht of chemische reacties.

Een ‘kogelgewricht’ in actie onder de optische microscoop. Silicabollen van verschillende grootte kunnen over elkaars oppervlak bewegen.

Maar hebben we straks echt microrobots door ons bloed zwemmen? Kraft benadrukt dat deze ontdekking nog erg ‘fundamenteel’ is. Ze laat wel weten dat de beweging van bijvoorbeeld bacteriën nagebootst kan worden met kunstmatige microrobots. Dat is volgens haar een belangrijke stap in het begrijpen van dit soort systemen. “Als we dat eenmaal begrijpen dan is de toepassing meestal dichtbij”, zegt Kraft.

Bron
  • Chakraborty I. et al., Colloidal Joints with Designed Motion Range and Tunable Joint Flexibility, Nanoscale (26 april 2017), DOI:10.1039/C6NR08069C
ReactiesReageer