科学者たちは、いつの日か薬剤や化学センサー分子を人体の特定の部位へ運べるようにする可能性を秘めた、マイクロメートルサイズのアクチュエーターの研究を続けてきました。ETH Zurichの研究者たちは今回、こうしたマイクロデバイスの開発を大きく前進させました。新たな製造技術と材料により、あらゆる形状の極小アクチュエーターを製造し、将来の用途に合わせて最適化できるようになりました。
液体中を移動できる細長いアクチュエーター素子は、らせん状の形をしており、磁性を備えています。外部の回転磁場によって駆動され、磁力線に沿って向きを整え、長軸を中心に回転します。らせん形状のため、液体中を前進して泳ぐことができます。
従来の製造技術では、こうしたマイクロ物体の磁気特性はデバイス自体の形状に左右されます。この制約があるため、精密な制御と方向安定性を備えたアクチュエーターの開発は困難でした。マイクロ・ナノシステムズ教授で、Christofer Hieroldが率いるグループの博士課程学生Christian Petersは、次のように説明します。「以前は、これらの素子は前進する際に揺れ、磁気特性が理想的でなかったため効率も低いものでした。今回、物体の形状とは独立して磁気特性を調整できる材料と製造技術を開発しました。」
顕微鏡サイズの3Dプリンター
研究者たちは、光感受性の生体適合性エポキシ樹脂に磁性ナノ粒子を混ぜ込みました。硬化工程の最初の段階で、この材料の薄い層に磁場を照射しました。磁場によってナノ粒子が磁化され、粒子は平行な線状に並びました。これらの線の向きが、材料の磁気特性を決定します。次に研究者たちは、改質したエポキシ樹脂膜から、二光子重合によって細長い微小構造体を製造しました。この技術は顕微鏡サイズの3Dプリンターに似ています。コンピューター制御でレーザー光をエポキシ樹脂層内の三次元空間で動かし、樹脂を局所的に硬化させます。その後、未硬化部分を溶剤で洗い流すことができます。
この技術により研究者たちは、長さ60マイクロメートル、直径9マイクロメートルで、長軸に垂直な方向に磁化されたらせん構造体を製造できました。通常の製造方法では、このような磁気特性を持つ物体を作ることはできませんでした。磁化の向きは通常、コンパスの針のように物体の長軸方向になるためです。新しいアクチュエーターは精密に制御でき、従来の素子のほぼ4倍の速さで泳ぎ、揺れることもありません。
表面積の大きな新形状
従来のマイクロアクチュエーターは通常、コルク栓抜き（らせん）の形状でしたが、顕微鏡サイズの3D製造技術により、ETHの研究者たちは形状を改変した構造体を作製できました。この研究では、らせん状にねじれた帯状構造や、二重にねじれたワイヤーに似た構造体を製造しました。試験では、これらの形状はコルク栓抜き形状のアクチュエーターと同じ速さで泳ぐ一方、表面積はその2～4倍であることが示されました。「これにより、特定の用途においてアクチュエーターの関心が高まります」と、ロボティクス・インテリジェントシステム教授Bradley Nelsonが率いるグループの研究員Salvador Panéは述べています。
こうした素子で薬剤や化学センサー分子を体内の特定部位へ運ぶには、アクチュエーターを対応する分子で被覆する必要があります。素子の表面積が大きいほど、運搬できる材料の量も増えます。研究者たちは、らせん状モーターの表面に抗体を結合させ、興味深い生物医学材料で構造体を被覆できることを原理的に実証しました。
「しかし、泳ぐマイクロロボットだけが対象ではありません」とPetersは述べます。「新しい技術は、特定の磁気特性を持つ他のマイクロ物体を製造する場合にも利用できます。」Panéによると、この成果は、マイクロシステム技術とマイクロロボティクスの分野で、機械・プロセス工学部の2人の教授が長年にわたり共同研究を行ってきた結果です。Nelsonが率いるグループは磁性マイクロロボットの製造と応用に長年の経験を持ち、Hieroldが率いるグループは新材料をマイクロシステムに組み込む高い能力を備えています。
共同掲載： ETH Zurich
著者：Fabio Bergaminはベルン大学で免疫学の博士号を取得し、専門チームであるニュース＆メディアオフィスの科学編集者を務めています。
画像：活性化合物で被覆できるさまざまなマイクロアクチュエーターの図。Peters C et al. Advanced Functional Materials 2014、Wileyの許可を得て転載。
