Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont recouvert une microalgue verte unicellulaire d'un matériau magnétique. Ce robot miniature a été mis à l'épreuve : la microalgue, avec son revêtement magnétique, serait-elle capable de nager dans des espaces restreints et à travers un fluide visqueux tel que celui que l'on trouve dans le corps humain ? Le petit robot serait-il capable de se frayer un chemin dans ces conditions difficiles ?
Dans la nature, les microalgues unicellulaires sont d'excellentes nageuses. Deux appendices en forme d'antennes situés à l'avant leur permettent de se propulser vers l'avant. L'équipe du MPI-IS a cherché à déterminer ce qui se produit lorsqu'elle recouvre ces algues de chitosane, un polymère naturel (pour une bonne adhérence), et de nanoparticules magnétiques.
Les scientifiques ont constaté que leurs micro-nageurs biohybrides étaient à peine affectés par le revêtement. Grâce au mouvement de brasse des petites antennes situées à l'avant, les algues enrobées s'élançaient vers l'avant à une vitesse de nage presque inchangée : elles atteignaient 115 micromètres par seconde, soit environ 12 longueurs de corps par seconde. À titre de comparaison : le champion olympique Michael Phelps a atteint une vitesse de 1,4 longueur de corps par seconde à son meilleur niveau. Mais l’algue n’est qu’une cellule sans jambes ni pieds.
Birgül Akolpoglu et Saadet Fatma Baltaci, qui ont dirigé conjointement la recherche, ont étudié il y a plusieurs années comment des micro-nageurs à base de bactéries pourraient être contrôlés magnétiquement dans des liquides afin de les utiliser un jour comme moyen de transport de médicaments. Ils se tournent désormais vers les microalgues. L’objectif des deux chercheurs était de fonctionnaliser la surface des organismes unicellulaires avec un matériau magnétique afin que les cellules puissent être dirigées dans n’importe quelle direction souhaitée – transformant ainsi les microalgues en microrobot.
Le revêtement des cellules n'a pris que quelques minutes et a fonctionné presque à chaque fois : les femmes ont réussi à enrober neuf algues sur dix avec des nanoparticules magnétiques. Ils ont d’abord testé leur robot biohybride dans un liquide aussi fin que l’eau. Grâce à des champs magnétiques externes, ils ont pu diriger les robots dans n’importe quelle direction. Les chercheurs ont ensuite guidé leurs robots le long de minuscules tubes imprimés en 3D – un environnement hautement confiné au plus trois fois plus large que les microalgues. Pour voir si le contrôle fonctionnerait ici aussi, l’équipe a mis en place deux systèmes différents : l’un avec des bobines magnétiques et l’autre avec des aimants permanents autour du microscope. Ils ont créé un champ magnétique uniforme et ont changé sa direction à plusieurs reprises.
« Nous avons constaté que les algues parcouraient les microcanaux imprimés en 3D de trois manières : en marche arrière, en traversée et en traversée magnétique. Sans guidage magnétique, les algues restaient souvent bloquées et revenaient au point de départ. En revanche, avec le guidage magnétique, elles se déplaçaient plus facilement et évitaient les obstacles », explique Birgül Akolpoglu, co-auteur principal de la publication. « La direction magnétique a aidé les micronageurs à s'aligner sur la direction du champ. Ils ont démontré un réel potentiel pour naviguer dans les espaces restreints, comme s'ils étaient équipés d'une sorte de mini-GPS ! »
Dans une étape suivante, l’équipe a augmenté la viscosité du liquide et a envoyé à nouveau ses microrobots à travers les canaux étroits.
« Nous voulions tester le comportement de nos nageurs dans un environnement visqueux. Nous avons découvert que la viscosité affecte la capacité des microalgues à nager. Une viscosité plus élevée les ralentit et modifie leur mouvement. Lorsque nous avons appliqué le champ magnétique, les nageurs ont oscillé d'avant en arrière, avançant en zigzag. Cela démontre comment un réglage précis de la viscosité et de l'alignement magnétique peut optimiser la navigation des microrobots dans des environnements complexes », ajoute Baltaci.
« Notre vision est d'utiliser des microrobots dans des environnements complexes, de petite taille et très confinés, comme ceux que l'on trouve dans nos tissus. Nos résultats ouvrent la voie à des applications telles que l'administration ciblée de médicaments et fournissent une solution biocompatible pour les traitements médicaux, avec un potentiel prometteur pour de futures innovations en biomédecine et au-delà », conclut l'équipe.
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