A Study on Bending Stiffness Characterization of Biohybrid Microrobots using External Magnetic Actuation

Abstract

A microrrobótica está rapidamente a tornar-se um instrumento-chave em várias intervenções médicas que antes eram consideradas impossíveis. Com seu tamanho reduzido, fornecer tratamento clínico em zonas de difícil acesso do nosso corpo sem danificar órgãos e tecidos saudáveis é agora uma coisa do passado. Apesar destas grandes conquistas tecnológicas, existem vários obstáculos como mecanismos de locomoção e localização que devemos ultrapassar para alcançar o microrrobot perfeito, capaz de realizar tarefas desejadas sem grandes complicações.Um microrrobot chamado SPINOSperm capaz de nadar em condições de low-Re e alcançar a administração de drogas foi projetado pela fusão de células de espermatozoides com nanopartículas magnéticas que criam vários padrões de revestimento ao longo dos flagelos da célula, permitindo o transporte por aplicação de campos magnéticos externos.Neste trabalho, são estudados os efeitos do revestimento magnético sobre uma propriedade física intrínseca dos flagelos denominada rigidez de flexão passiva.Este microrrobot sem fios alcança a propulsão atuando uma onda viajante ao longo de sua cauda flexível e a rigidez de flexão é a única propriedade intrínseca que governa a forma e a taxa de propagação da onda ao longo de seu comprimento. Trabalhos anteriormente realizados de Lindmann et al. e Rikmenspoel R., descobriram que a rigidez de flexão média para simples espermatozoides de bovino é 1,8×10^(-21) N.m^(-2)Além disso, a eficiência do sistema eletromagnético utilizado para calcular tal propriedade também é avaliada.Resultados teóricos e experimentais provaram que a presença de nanopartículas aderidas à cauda dos espermatozoides influenciam fortemente sua rigidez de flexão. Também foi descoberto que a rigidez à flexão é proporcional ao número e localização dos segmentos celulares magnetizados, atingindo valores de 16,6×10^(-21) N.m^(-2) para micro-nadadores em que o flagelo se encontra totalmente revestido com nanoparticulas.

Microrobotics is fast becoming a key instrument in various medical interventions that were previously thought to be impossible. With its reduced size, delivering clinical treatment in difficult-to-reach areas of our body without damaging healthy organs and tissues is now a thing of the past. But in spite of these great technological achievements, there are several hurdles such as locomotion and localization mechanisms we must surpass to achieve the perfect microrobot capable of performing desired tasks without major complications.A microrobot called SPINOSperm capable of swimming in low-Re conditions and achieve targeted drug delivery was designed by merging bull sperm cells with magnetic nanoparticles that create several coating patterns along the cell’s flagella enabling transportation by application of external magnetic fields. In this work, it is studied the effects of the magnetic coating on an intrinsic physical property of the flagella called passive bending stiffness. This untethered microswimmer achieves propulsion by actuating a traveling wave along its flexible tail and the bending stiffness is the only intrinsic property that governs the form and rate of wave propagation along its length. Previous works from Lindmann et al. and Rikmenspoel R., found that the average bending stiffness for simple bull spermatozoa is 1,8×10^(-21) N.m^(-2).Furthermore, the efficiency of the electromagnetic system used to calculate such property is also evaluated.Theoretical and experimental results proved that the presence of nanoparticles attached to the tail of sperm cells highly influence its bending stiffness. We also found that the bending stiffness is proportional to the number and location of magnetized cellular segments reaching values of 16,6×10^(-21) N.m^(-2) for fully coated flagella microswimmers.