Самовытаскиватель для нивы: Самовытаскиватель на ниву своими руками

За более чем 30 лет написания статей о дробовиках у меня была возможность использовать и наблюдать за большинством метательных снарядов, представленных на рынке. Все модели, которые я выбрал, отличаются от остальных по следующим причинам:

• Надежность: Ничто так не портит день стрельбы по мишеням, как метатель, который не работает или ломает мишени. Эти машины будут работать так, как они должны.
• Простота использования : Глиняные метатели голубей, которыми сложно пользоваться, вызывают разочарование и могут привести к травмам. Хотя с метателями всегда нужно быть осторожным, все метатели, которые я выбрал, просты в использовании по сравнению с другими в своей категории.
• Прочность: Хрупкие глиняные метатели голубей не выдержат интенсивного использования. Доказано, что все метатели здесь хорошо работают с течением времени.
• Стоимость: Стрельба — затратный вид спорта, но это не значит, что вы должны выбрасывать деньги на ветер. Получение хорошей прибыли за ваши деньги очень важно. Я искал хорошие показатели в метателях глиняных мишеней, и не случайно лучший вариант, рабочая лошадка Champion, также был назван лучшим в целом.  

Установите метатель глиняных голубей на расстоянии не менее 250 ярдов перед метателем для безопасной зоны падения выстрела. Ограничьте свои боеприпасы размерами дроби 7 ½ или меньше, иначе они унесут дальше. Многие более легкие ловушки должны быть каким-то образом закреплены или закреплены, чтобы они не перевернулись под действием силы руки, когда она освобождается. Взведите и зарядите его безопасно, по возможности оставаясь позади руки, и убедитесь, что любой, взводящий капкан вручную, достаточно силен, чтобы взвести его. Пуллер должен стоять позади стрелка, когда он бросает мишень. Если у вас есть длинный шнур или пульт, безопасно настроить метатель таким образом, чтобы он бросал кроссы или приближающиеся цели.

Метатель глиняных голубей представляет собой руку с пружиной, прикрепленной к одному концу. Взведение рычага растягивает пружину. Если его отпустить, пружина вернется в исходное положение. Рука движется по дуге и бросает цель. Так работают все метатели глиняных голубей. Некоторые из них ручные и их нужно взводить вручную, некоторые автоматические и питаются от батареек. Ручные ловушки необходимо перезаряжать каждый раз, в то время как у автоматических метателей есть магазины, в которые можно загрузить до нескольких сотен целей. Вы можете отрегулировать натяжение пружины, чтобы изменить скорость цели, и наклонить корпус ловушки, чтобы изменить ее высоту. Некоторые ловушки также можно наклонять из стороны в сторону.

?

При использовании автоматических ловушек вы должны загрузить мишень правильного размера (чаще всего стандартную 108-миллиметровую глину) в магазин или карусель. Заполните его доверху и начинайте стрелять. С ручной ловушкой вы должны знать, как заряжать метатель глиняных мишеней. Большинство из них примут любой тип глины, в том числе более мелкие миди и мини. То, куда вы поместите глину на руку, влияет на то, в каком направлении она летит. Многие ловушки могут выбрасывать двойников. Если вы поместите две мишени рядом на руку, они будут лететь под разными углами. Сложите их, и они разделятся, но полетят в одном направлении. Для забавного двойника поместите мини под стандарт. Мини будет оставаться внутри стандарта до тех пор, пока большая цель не будет разбита, а затем полетит сама по себе. Многие ручные ловушки имеют «зажим под большим углом», чтобы предотвратить соскальзывание мишеней с руки, когда вы устанавливаете ловушку для подбрасывания очень высоко птиц.

Есть несколько способов использовать ракетницу для метания голубей, чтобы развлечься и улучшить свою стрельбу. Попрактикуйтесь в стрельбе из артиллерийской установки, вызывая цель с ружьем наготове, затем, когда вы увидите птицу, поднесите ружье к лицу и плечу и выстрелите. Если у вас более одного стрелка, вы можете встать рядом и либо погоняться, чтобы увидеть, кто первым сможет разбить мишень, либо позволить одному стрелять, а другой стреляет в подстраховку или пытается разбить кусок разбитой мишени. Если вы обучаете стрелка-новичка, встаньте сзади и сбоку и тяните за ним мишени. Старайтесь следить за стрелком за ошибками в форме, а не за мишенью.

Тарелочки и ракетницы просты в использовании. Для взведения рукояток большинства ручных метателей требуется некоторая сила, хотя машины с ¾ взводом взводить легче. Электрические метатели просты в использовании, хотя для обращения с батареями требуется некоторая сила, тележка, на которой находятся метатель и аккумулятор, облегчает передвижение. Наконец, в то время как у некоторых возникают проблемы с ручными метателями, большинство людей, которые пробуют навесной метатель глиняных мишеней MTM EZ Throw 3, сообщают, что им намного проще пользоваться, чем другими типами ручных метателей.

Метатели глины безопасны так же, как безопасны ружья. Если вы относитесь к ним должным образом, с уважением и здравым смыслом, они полностью безопасны в использовании. Они также могут навредить вам, если вы будете неосторожны. Рука любого метателя вращается очень быстро. Метание петуха из-за руки, а не спереди. Если возможно, отпустите руку на электрическом метателе, если вам вообще нужно с ним работать. Держитесь позади метателей тоже. Глиняные голуби отрываются от руки, путешествуя со скоростью до 50 миль в час, и вы не хотите, чтобы вас ударил один из них. Иногда глиняные голуби ломаются и о руку, и осколки достаточно острые, чтобы порезать кожу. Обязательно стойте позади метателя, а не впереди.

Многие глиняные голуби биоразлагаемы. Традиционный вид, содержащий тальк и нефтяную смолу, не подвергается биологическому разложению. Хотя тальк безвреден, смола/смола и краска могут быть токсичными для некоторых животных, таких как свиньи. Биоразлагаемые глиняные голуби сделаны из натуральных ингредиентов, таких как сосновая смола, и полностью разлагаются в течение пары лет. Некоторые стрелки считают, что мишени старого типа было легче разбить, чем биоптиц, но результаты продолжают расти, а не падать, по мере улучшения стрелков и снаряжения.

Лучший метатель глиняных голубей тот, который соответствует вашим потребностям. Каждый выделенный здесь работает для немного разных целей. В то время как механические метатели глиняных голубей работают хорошо, серьезные стрелки должны подумать о переходе на такую ​​машину, как Champion Workhorse. Помимо того, что вы можете сделать 50 выстрелов, прежде чем вам придется перезаряжать его, его можно перемещать и управлять им дистанционно, что значительно увеличивает разнообразие выстрелов, которые вы можете практиковать. По этой причине мы выбрали его как лучшего метателя глиняных голубей.

Механическая муфта активных микроплавателей Puller и Pusher Влияет на подвижность

• Список журналов
• Выбор автора ACS
• PMC7304893

Ленгмюр

Ленгмюр. 2020 19 мая; 36 (19): 5435–5443.

Published online 2020 Apr 28. doi: 10.1021/acs.langmuir.9b03665

, ^{† ‡} , ^† , ^§ , ^† , ^§ and ^{* † ∥}

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензиях Отказ от ответственности

Дополнительные материалы

Активные самоходные коллоидные популяции вызывают зависящие от времени трехмерные потоки жидкости, которые изменяют реологические (вязкоупругие) свойства их жидких сред. Исследователи также изучали пассивные коллоиды, смешанные с бактериальными суспензиями. понять гидродинамическую связь между активным и пассивным коллоиды. Благодаря недавним разработкам в области биологических биогибридов, управляемых клетками. микропловцы, биологические микропловцы разного типа (например, бактерии и водорослей) популяции должны жидкостно взаимодействовать друг с другом в одних и тех же флюидных средах, а такие взаимодействия не изучались экспериментально пока. Поэтому мы сообщаем о плавательном поведении два противоположных типа биологических микроплавающих (активных коллоидных) популяций: Chlamydomonas reinhardtii ( C. reinhardtii ) популяция водорослей (микроплавунцы толкающего типа) в совместной культуре с популяцией бактерий Escherichia coli ( E. coli ) (микроплавунца толкающего типа). Мы наблюдали заметные отклонения гидромуфты от существующего понимания пассивного коллоиды, смешанные с бактериальными взвесями, ранее изученными в литература. Гидродинамическая связь между микроплавателями тянущего и толкающего типов. приводили к неравновесным колебаниям потока жидкости из-за их встречные схемы плавания. Такая связь может быть основной причиной за сдвигом в двигательном поведении этих двух противоположных типов популяции пловцов, взвешенные в одних и тех же жидких средах.

Недавно, бактериальный ¹⁻⁶ (выталкивающий) и водорослевый ^7,8 (вытягивающий) биогибридный микропловцов было предложено использовать в потенциально ударопрочных восстановление окружающей среды, лаборатория на чипе и активные приложения in vivo для адресной доставки лекарств. ⁹⁻¹² С другой стороны, исследователи смешали пассивные коллоиды с бактериальными взвесями для изучения гидродинамическая связь между активными и пассивными коллоидными частицами. ¹³ Эти эксперименты показали заметные отклонения из существующего понимания активных коллоидов. Неравновесность колебания потока жидкости из-за особенностей плавания бактерий считаются основной причиной возникновения коллективизма. движение в пассивных коллоидах, взвешенных в активной бактериальной культуре СМИ. ¹⁴⁻¹⁶ Однако в естественных экологических нишах и будущем потенциальные сценарии применения медицинской и экологической реабилитации, биогибридные микроплавающие популяции противоположного типа, управляемые бактериями и водорослями необходимо взаимодействовать друг с другом. Например, бактерии и микроводоросли. популяции могут взаимодействовать и существовать вместе в их сложных природных среда обитания. Такие сложные взаимодействия могут развиваться спонтанно. течет в отсутствие наложенных градиентов с использованием подводимой энергии активными микропловцами. ⁸ Нестабильность изотропной суспензии активных микропловцов включает связь ориентации пловца, потока жидкости и напряжений, вызванных плаванием. ¹³ Пока нет исследования, описывающего, как эти противоположные типы микропловцы будут гидродинамически соединяться, если они сосуществуют в те же жидкие среды.

В этом отчете мы представляем в vitro , чтобы выяснить, есть ли какие-либо гидродинамические взаимодействие между активными микропловцами толкателя и пуллера (коллоиды), взвешенные в той же жидкой среде. Это позволит нам чтобы понять, как такие активные микропловцы противоположного типа поддерживают их динамическое взаимодействие со своими соседями и одновременно защита своей гидродинамической территории для выполнения функциональных задач, такие как размножение, образование биопленки и колонизация. Мы выдвигаем гипотезу что динамическая вязкость одной из растущих активных коллоидных популяций (например, E. coli ) может влиять начало дальних скоростных корреляций другой популяции (например, C.  reinhardtii ). Появление таких дальних корреляций скорости жидкости при различных бактериальных концентрации могут быть определены, если такие корреляции измеряются в одной и той же совместной культуре популяций микропловцов толкателя и пуллера. Можно предположить, что детали чувствительности и подвижности бактерий могут быть сопоставлены с различными будущими потенциальными приложениями биогибридных микроплавателей. Более того, мы постулируем, что динамика увеличения плотности за один населения, при сохранении другого постоянным, может влиять подвижность и направленность другой популяции в окрестности. В этом контексте мы исследовали, как гидродинамическая связь между 9Популяции 0875 E. coli и C. reinhardtii влияют на движение C. reinhardtii путем отслеживания их трехмерное (3D) плавание в смешанной текучей среде.

Смешанная культура прокариот и эукариотических клеток

Эксперименты проводились с живой C. reinhardtii (штамм 11-32), полученный из коллекции культур водорослей в Геттингене. Университет (SAG), Германия. Микроводоросли выращивали в БГ-11. среда при комнатной температуре и цикле свет-темнота 12:12 (Philips Master TL-D 58W/840 Super 80 Weiss) в 250 мл Erlenmeyer колбы, закрытые проницаемой мембраной для предотвращения контаминации но позвольте вентиляцию. Все культуры, включая ссылки, были доводили до рН 4,8 каждый день, как описано ранее. ¹⁷ Первоначально все культуры имели популяции около 5,5 × 10 ⁵ клеток/мл. В первый, третий и седьмой дни культур, количество клеток подсчитывали с помощью гемоцитометра (Мариенфельд, Лауда-Кенигсхофен) для изучения развития культур.

Бактериальный штамм выращивали в течение ночи при 37 °C в среде лизогенного бульона (LB). Инокулят для микроплавания пробы готовили из активно растущих организмов (логарифмическая фаза). Концентрацию взвеси бактерий определяли путем измерения их оптическая плотность при 600 нм (OD ₆₀₀ ). Эффект смешанной культуры микроводорослей на кинетику роста бактерий путем измерения OD ₆₀₀ с помощью спектрофотометра (Synergy HTX, Биотек, Германия). Для исследования кинетики роста штаммов E. coli культивировали в среде LB и инкубировали при 37 °C на орбитальный шейкер (Gyromax, Amerex Instruments, Inc., Германия) при скорость вращения 200 об/мин в течение ∼6 часов. Затем бактериальная суспензия разбавляли свежей средой до тех пор, пока она не соответствовала OD ₆₀₀ 0.1. 50 мкл бактериальной взвеси (исходный затем в каждую лунку микропланшета (Eppendorf, VWR, Германия) вместе с фосфатно-солевым буфером (PBS) (20 мкл) как контроль. Затем добавляли 50 мкл суспензии микроводорослей. соответствующие лунки и снова инкубировали при 37°С на орбитальной шейкер при скорости вращения 200 об/мин. Жизнеспособность бактерий была через регулярные промежутки времени измеряют оптическую плотность при 600 нм. Все исследования проводились в трехкратной повторности.

Оценка рулевого управления Свойства смешанной популяции

постоянная плотности микроплавателя, мы варьировали плотность E. coli (микроплавателя толкающего типа) с высокой пропускной способностью, используя микрокамере с 8 лунками (Micro-Slide, там же, Германия) и записывали таймлапс-видео на 9 часов. C. reinhardtii можно эффективно отслеживать в 3D благодаря присущей им автофлуоресценции. свойств, с живой визуализацией для извлечения различной количественной информации. Трехмерные траектории были созданы с использованием трехмерного объекта Nikon NIS. модуль слежения. Движения смешанных популяций микропловцов были исследованы внутри изготовленного на заказ предметного стекла камеры микроскопа, укрывающего 8 лунок (толщина дна = 150 мкм) для высокопроизводительного анализа. Микроскопическое исследование проводили на Zeiss Axio Observer. Инвертированный микроскоп A1 с ПЗС-камерой Axiocam 503 и 40-кратным увеличением. (числовая апертура = 0,6) объектив. Микроводоросли и бактерии кокультуры освещали с помощью красного светофильтра с испусканием пик при 655 нм и полоса пропускания 15 нм (655/15 BrightLine HC, AHF Analysentechnik, Тюбинген, Германия), для предотвращения фототакса. предвзятое движение микроводорослей и, таким образом, избежать ложноположительных результатов. ¹⁵

Измерения вязкости для определения микрореологии

Измерения микрореологии суспензий E. coli – C. reinhardtii были выполнены с использованием точного вискозиметра с компьютерным управлением (Hybrid Реометр HR 10, TA Instruments, Германия) с 40 мм титановым покрытием параллельная пластина (титан имеет более высокую чувствительность, чем стальная пластина). Это позволило нам количественно оценить накопление (эластичность) и потери (вязкость). модули как G ′ и Г ″ компонентов соответственно. Микрореологические измерения на смешанном культуры микроводорослей и бактерий технически сложны, поскольку зазор между пластинами не должен превышать размер одной ячейки (в этом случае ∼3–5 мкм), а площадь измерения не должна быть более 15 см ² , так как эти ячейки очень мягкие и включить реометр для разрешения крутящих моментов. Чтобы пластины были параллельны, специальные полированные стеклянные пластины, покрытые тонким слоем титана (∼5 нм) и среднеквадратической шероховатостью поверхности 250 нм. в модульном компактном реометре фирмы Anton-Paar GmbH (Берлин, Германия). Титановое покрытие обладает более высокой чувствительностью (диапазон ~ нН) по сравнению с с обычными стальными пластинами (диапазон ~ мкН). Также, шероховатость поверхности дополнительно улучшает измерения за счет увеличения липкость поверхности клеточной смеси между пластинами для устранения скользящее течение между соседними пластинами. 200 мкл несмешанного/смешанного культуральные суспензии с высокой плотностью клеток (∼10 ⁽⁶ клеток в каждом) использовали для микрореологических экспериментов. После фиксация сухой и чистой верхней пластины с зазором ∼250 мкм с нижней пластиной мы аккуратно расположили клеточную суспензию в пространстве между пластинами с помощью микропипетки. Капиллярные силы позволяют заполнить зазор между верхней и нижней пластиной суспензии клеток. Затем была сделана ступенчатая деформация сдвига около 10%. применяется для экспериментов с гармоническими колебаниями для записи частоты и развертки по амплитуде.

Жизнеспособность

Образец из инкубатора (Professional 3500, VWR, Германия) окрашивали 10 мкМ SYTOX Green (Molecular Probes, США) в СМИ TAP в течение 10 мин при комнатной температуре. Живые клетки в образце наблюдались при 488 нм (Ar-лазер)/505–530 нм (возбуждение/испускание) и мертвые клетки наблюдали при 543 нм (He-Ne-лазер)/560 нм (возбуждение/испускание). с помощью конфокального лазерного микроскопа (LSM 510 META, Carl Zeiss, Германия). Дзен 2009Использовалась программа Light Edition (Carl Zeiss, Германия). объединить двойные флуоресцентные изображения. Около 500 ячеек в случайном поле при 100-кратном увеличении использовали для расчета жизнеспособности из C. reinhardtii .

Замедленная съемка Видеомикроскопия и оптическое измерение потока

Чашки (ibidi, Германия) устанавливали на АОБС TCS-SP2 (Leica) при 60× с надлежащие фазово-контрастные фильтры и оснащены инкубационной камерой (h401-EC-BL, Okolab), чтобы поддерживать температуру клеток при 37 °C. Незадолго до записывая цейтраферные видеоролики, мы наблюдали свежесобранные C. reinhardtii при низком (1 × 10 ⁵ клеток/мл), среднем (5 × 10 ⁵ клеток/мл) и высоком (1 × 10 ⁶ клеток/мл) концентрации на инвертированном оптическом микроскоп для рутинной моторики и характеристики плавания. Фильмы были зарегистрированы вблизи дна фокальной плоскости в диапазоне Чашка для культивирования ∼1–5 мкм, а затем на расстоянии 50 мкм снизу наблюдать, будут ли два противоположных микропловца выполняли трехмерное движение, перемещаясь в фокальной плоскости и из нее. Фазово-контрастные изображения в светлом поле снимались каждые 5 минут в течение ночи. штаб-квартирой CoolSNAP ² ПЗС-камера (Photometrics, Tucson, AZ), подключен к конфокальному микроскопу Nikon Eclipse Ti с Yokogawa Вращающийся диск CSU-W1. Обследуемые районы были выбраны случайным образом для захват времени от всего населения.

Частица Анализ скорости изображения (PIV) был выполнен с использованием плагина ImageJ ^{18,19 20} для характеристики потоков жидкости. созданный микропловцами. Вкратце, пара изображений была разделена на более мелкие области (окна опроса взаимной корреляции). взаимная корреляция между этими субобластями изображения измеряла оптические поток (перемещение или скорость микроводорослей) в пределах заданного пара образов. Постепенно уменьшая размер окна опроса как 128 × 64 × 32 (в пикселях), мы получили лучшее разрешение PIV. Сопоставление шаблона с нормализованным коэффициентом корреляции реализован алгоритм обработки изображений, где опрос окна сначала сравнивались с большим окном поиска. результаты анализа PIV отображались в виде векторного графика и сохранялись в текстовом табличном формате, содержащем все результаты анализа в виде расширение .txt. Плагин PIV ImageJ используется для визуализации вектора и величины данных из анализа PIV.

Статистический Анализ

Эксперименты проводились в трех повторностях. результаты выражали как среднее значение и стандартное отклонение значения, полученные не менее чем в трех независимых экспериментах. Различия средних значений между контрольными опытами (без смешанная культура) и бактерии/микроводоросли/индикаторы, обработанные смешанными культуральные эксперименты анализировали с помощью теста Стьюдента t с использованием программного обеспечения GraphPad Prism 5. Уровень значимости был установить на 0,05 ( p < 0,05) для всех статистических анализов.

Биологические микропловцы активны коллоиды микрометрового масштаба, которые самодвижутся, двигая жгутиками или реснички, использующие химическую энергию (АТФ). По типу дальнего поля поток жидкости, который они вызывают, они классифицируются как толкатели и толкатели. В то время как толкатели выталкивают жидкость наружу в направлении их движения и втягивают жидкость в бока их тел, съемники нагнетают жидкость внутрь вдоль направления их плавания и отталкивают жидкость с боков. Такие противоположные диполи жидкостной силы имеют важные последствия для жидкостные взаимодействия между микропловцами. Чтобы понять гидродинамическая связь между двумя популяциями микропловцов противоположного типа, мы смешали бактерии и микроводоросли в их естественной культуре и подвижности среды и подробно изучили их гидродинамические взаимодействия (а).

Открыть в отдельном окне

(a) Схема, показывающая Экспериментальная процедура с разнообразными характеристиками смеси популяций двух противоположных микропловцов. (b) Увеличение средней скорости микроводорослей в зависимости от совместного культивирования инкубационный период. Движение 90 875 C. reinhardtii 90 876 с постоянной плотностью было исследовано в сравнении с тремя различными плотностями 90 875 E. coli 90 876 (90 875 d 90 876 = исходная плотность в каждый момент времени). Столбики погрешностей показывают среднее значение ± стандартное отклонение (SD) от трех разные эксперименты.

Среднее скорость роста водорослей представлена ​​на графике b как функция времени инкубации для трех различных начальные плотности бактерий (сама плотность бактерий есть функция времени инкубации сокультуры). Как видно, средняя скорость из C. reinhardtii (съемники) увеличены с увеличением плотности E. coli (толкатели), в то время как плотность C. reinhardtii оставалась постоянной до 6 ч инкубации смешанной культуры. Впоследствии мы наблюдали снижение средних скоростей, что могло возникают в связи с подготовкой и началом деления микроводорослей и остановки в моторике. ²¹ Время удвоения из C. reinhardtii составляет 7–8 ч, тогда как для E. coli это 45–60 мин. Поэтому мы предполагаем, что плотность микроводорослей оставалась постоянной. во время эксперимента. Изображение было завершено в течение этого времени период. Увеличение размера популяции E. coli уменьшило их собственную среднюю скорость за счет механического сцепления между собой. Мы предполагаем, что гидродинамическая связь, основанная на различных схемы плавания толкателей и пуллеров, могут быть не такими сильными, как механическое соединение в основном из-за разницы в их размерах ( E. coli ∼1–3 мкм и C. reinhardtii ∼7–10 мкм в диаметре) и ограничения их движения в двумерных (2D) и трехмерное пространство соответственно.

Механическая муфта относится к взаимодействие, возникающее между микроплавателями и внеклеточными полимерными веществ, а гидродинамическая муфта относится к гидродинамической муфте возникающие из-за коллективного плавания микроводорослей и бактерий. ²² Качественно показано в фильме S1, после отслеживания автофлуоресцентного C. reinhardtii (водоросли, содержащие хлорофилл), он демонстрировал трехмерные модели плавания, такие как видно по изменению направлений в разные моменты времени по сравнению с E. coli (окраска краситель SYTO 9), которые в значительной степени плавают в 2D-плоскости. Следовательно, механический сцепление может играть важную роль в изменении скорости плавания микроплавунцы противоположного типа в смешанной культуре. Мы также хотели бы упомянуть, что возможности других видов соединений, таких как химические или любой другой вид сигнализации, не может быть исключен в представленном экспериментальное исследование. Доказать их наличие или отсутствие с использованием современных методов. В центре внимания этой работы понять сложное взаимодействие гидродинамики и механики связь между двумя активными микропловцами противоположного типа.

Когда мы проследили E. coli и C. reinhardtii отдельно, мы обнаружили, что средняя скорость микроводорослей увеличивается в присутствии бактерий; Однако, средняя скорость бактерий уменьшается, как показано в таблице 1. В ранние моменты времени смешанная камера совместного культивирования водорослей и бактерий с самой высокой плотностью продемонстрировали самые высокие средние скорости. С течением времени в камере выросло E. coli (время удвоения E. coli по сравнению с C. reinhardtii от ~1 до ~8 ч), и, таким образом, бактериальная плотность вырос. До определенной плотности средняя скорость микроводорослей увеличилось, но близко к 7–9ч, скорость еще больше снизилась независимо от плотности клеток.

Таблица 1

Средние скорости (в мкм/с) микроводорослей, бактерий, и их сокультуры, измеренные для начальной плотности клеток D = 1 × 10 ⁶ клетки/мл

	Microalgae	Microalgae — Bacteria Mixture	Microalgae — Bacteria Mixture	Microalgae — Bacteria Mixture	Microalgae -Bacteria	Microalgae -Bacteria	Microalgae -Bacteria	. 41,3 ± 5,4	53,0 ± 4,9
бактерии		24,1 ± 2,2	29,0 ± 1,7

Открыть в отдельном окне

Это может быть по следующим причинам: мы заметили, что при смешивании клеток C. reinhardtii и E. coli бактериальные клетки предпочтительно оставались на дно сосуда (рис. S1a,b) независимо от их предварительного смешивания перед добавлением в микроскопическую изображение блюдо. Тем не менее, мы выполнили видеозаписи, близкие к нижней стенки, потому что там мы наблюдали значительное количество переезд C. reinhardtii для анализов, а удаляясь от дна, мы видели меньше движущихся клеток из-за предпочтительного двумерного движения E. coli .

В этих условиях мы полагаем, что бактериальные клетки, обнаруженные на дне, выполняли роль ковра добавление в культуральную среду с усиленной диффузией возле ковра плавание E. coli . ¹ Таким образом, перемещение жидкости с усиленным бактериальным ковром C. reinhardtii означает плавание скорость. Кроме того, E. coli создана локальная сила, действующая на окружающую среду вдали от направлений плавания (а), который может увеличить поток с гидродинамическим усилением до C. reinhardtii . ²³

Чтобы понять рост (микроводоросли) по сравнению с уменьшением (бактерии) в средних скоростях плавания мы исследовали соответствующие параметры такие как изменение вязкости, динамическое формирование кластеров, активность/подвижность индуцированное разделение фаз и индивидуальные поля течения микроплавателей. Мы заметили, что E. coli – C. reinhardtii суспензия с самой высокой исходной плотностью бактерий (б) показала максимальную увеличение средней скорости микроводорослей. Обычно предполагается, что E. coli в разбавленных суспензиях в значительной степени проявляет гидродинамическая связь и менее механическая связь. механический связь, однако, развивается и начинает доминировать над гидродинамической связью с увеличением клеточной популяции и способствует дальнодействию коррелированное движение. ²² Это может косвенно приводят к увеличению диффузии и, следовательно, к увеличению средней скорости. Мы полагаем, что в такой сложной подвеске микроплавателей с противоположные поля течения (толкатели против выталкивателей в а) внеклеточных полимерных материалах и бактериальные остатки действуют как матрицы для механического соединения. Это приводит к крупномасштабным коллективным колебаниям в C. reinhardtii в плотных бактериальных взвесях и нелогичная слабая синхронизация среди E. coli (24) (Фильм S2).

Измерения коэффициента диффузии и средней скорости показали в активное взаимодействие между C. reinhardtii и E. coli , которое увеличивает средняя скорость микроводорослей. Чтобы подтвердить, что наблюдаемые результаты были за счет активной динамики плавания, мы добавили пассивный полистирол шарики-трассеры, которые имеют аналогичный размер микроводорослей, в суспензии. Мы не заметили эквивалентной диффузии и повышения средней скорости. или изменения в диффузии шариков индикатора (), свидетельствующие об активном характере взаимодействия. При смешивании трассирующих шариков с двумя активными микроплавателями противоположного типа. вместе, C. reinhardtii продемонстрировали значительно высокие средние скорости ( t = 0,045, p ≤ 0,05), за которыми следовали E. coli и индикаторные гранулы. Независимо от плотность клеток при смешивании C. reinhardtii с E.coli и индикатором шарики отдельно, мы видели, что максимальная средняя скорость увеличивалась только тогда, когда микроводоросли смешались с бактериями. Это дает четкое указание на сложные механическое соединение между тянущими и толкающими микроплавателями (Рисунок S3).

Открыть в отдельном окне

(а, б) Коэффициент диффузии изменения в бактериях-водорослях-шариках смешанные кокультуры (а) и индивидуальные микроплаватели (б). (в) Высокая плотность кокультура активных микроплавающих: (i) микроводоросли, (ii) бактерии, (iii) индикаторные шарики и (iv) наложение микроводорослей, бактерий и бисер. Шкала бара составляет 20 мкм.

в(i–iv) демонстрирует флуоресцентные изображения отдельных культур C. reinhardtii , E.coli и индикаторных шариков с их наложение (слева направо соответственно). Рисунок S2 демонстрирует низкую, среднюю и высокую плотность C. reinhardtii , E. coli , индикаторные гранулы и их наложенные флуоресцентные изображения.

В реальный сценарий гидродинамической связи микропловца, сложное взаимодействие пассивных вязкоупругих свойств биоматериала (плавательные клетки), гидравлические напряжения и внутренние микро/наномоторные активные силы производят конфигурационные изменения, которые составляют универсальные схемы плавания. Повышенная средняя скорость микроводорослей и уменьшенная средняя скорость бактерий может быть дополнительно связана к физическому происхождению эффекта упругости на их плавание скорости, так как благоприятная асимметрия гребка и эластичность пловца способствуют на ускорение, ¹⁷ и значительное повышение происходит, когда они работают синергетически.

Активная и пассивная реология измерения использовались для количественной оценки вязкоупругих откликов среды, который содержал активную подвеску из двух микроплавателей противоположного типа. Результаты показаны на а и с. Модуль хранения или упругий компонент ( G ′) смешанных ячеек (синий полузакрашенные кружки в а) выше, чем у C. reinhardtii отдельно (красные пустые кружки). Накопительный модуль представляет собой энергию сохраняется в упругой структуре образца. В монокультурах (а) мы наблюдали высокоэластичный компонент ( G ′) заметно только на низких частотах колебаний. С нарастающим колебанием частота G ′ для E. coli показала небольшое доминирование, а затем наблюдалась перекрывающаяся тенденция среди всех трех монокультур. Возможно, это связано с усиленной связью. между типичными жгутиковыми придатками бактериальной клетки, напоминающими большая оборванная цепь, как показано в сложном полимере с продвижением частота колебаний, вносящая вклад в упругую составляющую модулям Юнга. ²⁵ Модули потерь ( G ″) или точнее модули вязкости для смешанные и индивидуальные культуры были менее предсказуемы, чем эластичные составляющая ( G ′) на более низких частотах колебаний. Однако с увеличением частоты колебаний вязкая составляющая для C. reinhardtii было немного выше, чем у других культур, представленных красными кружками на b, d.

Открыть в отдельном окне

Количественное определение микрореологии изменения в сокультурах микропловцов. (а, б) Модуль накопления ( G ′) и модуль потерь ( G ′′) смешанных культур. (в, г) Модуль накопления ( G ′) и модуль потерь ( G ″) отдельных клетки и трассирующие шарики соответственно. (д, е) Определение комплексной вязкости смешанных и монокультур микроплавунцов.

Потеря модули отдельных культур микроплавателей оставались сходными с смешанные культуры (сравни б и г). Тем не менее, появилась общая тенденция к тому, что реологические свойства G ′ (модуль упругости или упругости) и G ′′ (модуль вязкости или потери), изменяются после смешивания двух противоположных микроплавков. Пассивная реология может быть обусловлена ​​секретируемыми белками и сахарами. путем выращивания E. coli . Они также Известно, что они способствуют такому механическому соединению, включающему сложные динамическая реология. ^22,26 Эта пассивная реология может добавить к вязкости среды при смешивании микроводорослей и бактерий вместе, и эта увеличивающаяся вязкость ускоряет самодвижение. ^27,28 Микроплавун пуллерного типа ( C. reinhardtii ), кажется, вопреки здравому смыслу плавает быстрее, когда вязкость его объем окружающей жидкости увеличивается, тогда как микропловец толкательного типа ( E. coli ) замедляется (табл. 1 и ). Чтобы подтвердить, что пассив реология может способствовать механическому соединению и средней скорости увеличение, мы ферментативно обрабатывали смешанные микроводоросли-бактерии культуры с ДНКазой I и протеиназой К, которые расщепляют внеклеточные полимерные вещества (ВПС). ²⁹ Мы наблюдали увеличение средней скорости за счет уменьшенного сцепления, опосредованного EPS, что указывает на роль внеклеточного матрикса в механическом соединении (а, б).

Открыть в отдельном окне

Полярный график с улучшенным Трехмерное движение микроводорослей в сокультуре (а) после ДНКазы/протеиназы Обработка K по сравнению с необработанными протеолитическими ферментами образцами (b) как влияние механической связи. Точки обозначают угловые положение C. reinhardtii в разные моменты времени, углы на этом графике представляют направление движения, числа 0–14 на полярной диаграмме показывают длину сегментации пловцов, а цвета точек обозначают угол места [в градусах] записывается в модуль слежения за 3D-объектами. (c) Схемы, показывающие полярные вытягиваясь вдоль оси плавания бактерии создают полимероподобные микрореология, что способствует увеличению вязкости средний.

Мы также сравнили изменения в G ‘и G », когда микроводоросли были смешаны с шариками индикатора (, левая панель). результаты показывают, что бактериальный внеклеточный матрикс в процессе роста среда вносит значительный вклад в эластичность смешанной культуры. Частотные характеристики, наблюдаемые для штамма E. coli со смешиванием микроводорослей и шариков-индикаторов и без них, были типичными. слабовязкоупругой жидкости, состоящей из несвязанных полимеров. ³⁰ Кроме того, в густых бактериальных суспензиях механическая связь преобладает над гидродинамической, потому что шкала длины между ячейками ниже обнаруживаемой эффективной гидродинамическое расстояние (<10 мкм). ²² Изменения комплексной вязкости в зависимости от деформации также нанесены для смешанных культур и монокультур (д, е). Дальняя связь между микропловцов противоположного типа можно объяснить с помощью скрининга силовое поле, возникающее из-за коллективного плавания бактерий/микроводорослей или гидродинамические эффекты. Подобно сложным полимерам, мы не можем подорвать дальнодействующие гидродинамические взаимодействия, возникающие из-за роста внеклеточного матрикса бактерий к биопленке в нашем эксперименте.

Кроме того, крупномасштабные кооперативные эффекты у бактерий при высокой плотности, такие как переходные струйные и вихревые узоры, появляющиеся из случайный переход переключения, вызывают турбулентное коллективное поведение среди клеток, которые являются известными медиаторами восстановления среды вязкость. ³¹ Наоборот, в малоплотных взвеси, E. coli могут испытывать и обмениваются контактами, а также гидродинамическими взаимодействиями со своими соседи. Бактерии с их многочисленными расширениями и придатками (например, жгутики, фимбрии, липополисахариды, пили и липопротеины) фактически более крупный и эквивалентный объект, такой как C.  reinhardtii , чем само тело клетки. Следовательно, различия в размерах, способствующие механическим и гидродинамическим сцепление может быть отрицательным. Мы предполагаем, что толкатель против тянущего сложная плавательная походка может привести к различной средней скорости для двух представленные здесь противоположные микропловцы. Основной механизм сцепления среди активных микропловцов на высокоплотных взвесях при отсутствии сдвигового течения и влияние микропловцов на эффективность микрореология может быть понята их силовым диполем, как объяснено в предыдущем разделе. В случае C. reinhardtii в качестве активного микропловца пуллерного типа локальный поток вызывает силовой диполь, который имеет тенденцию сопротивляться удлинению в направлении движения. Наоборот, в суспензиях микроводорослей и бактерий высокой плотности силовой диполь из-за плавания имеет противоположный знак для толкателей E. coli , что способствует растяжению вдоль направление плавания, аналогичное полимероподобной микрореологии, как показано в с.

Комплекс Динамика и закономерности в активных подвесках самоходных Микропловцы

Далее исследовали бактерии-микроводоросли суспензии в связи с фазовым поведением и кинетикой в ​​смеси поведения двух активных микропловцов противоположного типа (толкатель против пуллера). Мы наблюдали фазовое разделение и самосборку, вызванное активностью. в смесях активных бактерий и взвесей микроводорослей. фазовое разделение в самодвижущихся искусственных форетических частицах положительная обратная связь накопления, вызванная замедлением частиц из-за случайных столкновений. В отличие от искусственных частиц, активные коллоиды бактерий или микроводорослей могут включать другой механизм поскольку они избегают пересечения и столкновения с соседними активными частицами. ³² Мы наблюдали, что C. reinhardtii образовывали микрокластеры в смешанных суспензиях сокультуры с ориентацией предпочтения, как показано направлением стрелки в a и наложением автофлуоресцентного микроводоросли (как показано серыми точками на b и Movie S3). Мы обнаружили, что по сравнению с динамикой одного вида активного случаи коллоидной популяции, динамика двух разнотипных активных коллоидные смеси показывают усиленные колебания с частым делением и слияние кластеров. Отметим также, что общая динамика активно-пассивные смеси сильно отличаются от соответствующих чисто активные системы. ⁵ Самое главное, динамика смесей, разделяющих фазы, гораздо более очевидна при кластеры постоянно движутся, разделяются и сливаются (фильм S3).

Открыть в отдельном окне

Частица визуальная велосиметрия (PIV) анализ гидродинамической связи в бактериях-микроводорослях кокультуры. (а) Поле концентрации микроводорослей. Стрелки демонстрируют направление или ориентация скоплений микроводорослей по сравнению с предыдущий кадр изображения. (b) Наложение цветной кодировки PIV векторный график с покадровой последовательностью из смешанных 9Сокультура 0875 E. coli и C. reinhardtii (отслеживается автофлуоресценция), показывающее поле смещения микроводорослей перекрывается полем концентрации. От одного временного интервала к другому, направленное движение, расщепление скоплений микроводорослей и формирование можно сравнить. Имея меньший размер и отсутствие флуоресцентных, бактериальных клетки едва видны на (б). Шкала бара составляет 20 мкм.

При более низкой плотности и в ранние моменты времени кокультуры, эволюция кластерного распределения C. reinhardtii в основном характеризуется короткомасштабными флуктуациями. И поле концентрации, и поле течения кластеров становятся более сглаженными. Средняя концентрация и поле скоростей также довольно сильно меняются. и быстро и становятся очень гладкими и коррелированными по шкалам порядок размера кластера. При высокой плотности и более длительных масштабах времени и поле скорости, и поле концентрации начинают развиваться и проявлять сильные колебания, как видно на a–d и в фильме S3. Поля скоростей остаются коррелированными на больших масштабах длины. сильные колебания не являются устойчивыми во времени. Положение и форма флуктуаций продолжают развиваться во времени, при этом плотные области постоянно реорганизации, слияния и распада, в то время как их величина стабилизируется в результате диффузии. Аналогичное поведение сообщается для одного виды (толкачи) и результаты совместного культивирования, представленные здесь. ³³ По-видимому, микропловцы толкающего типа передают эти гидродинамические колебания к пуллерам. Ни один из этих динамических смешивание, нестабильность и образование узоров наблюдается в активных суспензии микроплавунков пуллерного типа, выращенных в одиночку.

Открыть в отдельном окне

Скорость карта величины и векторный график скорости для (a, c) совместной культуры с низкой плотностью и (b, d) сокультура высокой плотности.

В микробиологии есть несколько необъяснимых явлений относительно понимания бактериальной нативной среды, например, возникновение и распространение сигнальных молекул при ощущении кворума, осмотический поток питательных веществ через вязкоупругую среду и дифференциальный эффективность действия антибиотиков при низкой и высокой плотности бактериального населения. ³⁴ Понимание раннего вязкоупругий внеклеточный матрикс и их влияние на соседние Сообщество микроплавателей, представленное в этом исследовании, может обеспечить существенную предпосылки для будущих исследований. Кроме того, съемник- по сравнению с поведением микропловца толкающего типа вместо их взаимного взаимодействия и гидродинамическая/механическая связь в жидких средах, представленных здесь могут быть использованы для разработки биогибридных микророботных систем с питанием как E. coli , так и C. reinhardtii в одном микроустройстве. ^35,36 Важным следующим шагом является использование как контроля (фототаксис и автономные флуоресцентные свойства C. reinhardtii ) и сенсорные возможности (оптимальное определение pH E.coli ) ³⁷ из них разнообразные микропловцы, которые расширят потенциальные области применения биогибридных микропловцов для адресной доставки лекарств и экологических исправление в будущем.

А.В.С. благодарит Институт интеллектуальных систем Макса Планка за Гранты проекта Grassroots M10335 и M10338. Эта работа финансировалась Обществом Макса Планка.

Вспомогательная информация доступна бесплатно по адресу https://pubs. acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.9b03665.

А.В.С. и В.К. в равной степени способствовали к этой работе. А.В.С., В.К., М.С. предложил исследование. А.В.С., Г.Са., В.К. проектировал эксперименты. А.В.С., О.Ю., Г.Са. и В.К. проводил опыты. А.В.С. Г.Са., В.К. проанализировал данные. А.В.С и В.К. произвел видео. РС. и JB руководил исследование. А.В.С., Г.Са., В.К., О.Ю., Дж.Б. и М.С. написал рукопись. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

Авторы заявляют об отсутствии конкуренции финансовый интерес.

la9b03665_si_001.pdf ^{(3.4M, pdf)}

la9b03665_si_002.mp4 ^{(10M, mp4)}

la9b03665_si_003.mp4 ^{(7.8M, mp4)}

la9b03665_si_004.mp4 ^{(23M, mp4)}

• Дарнтон Н.; Тернер Л.; Брейер К.; Берг Х.К. Движущаяся жидкость с бактериальные ковры. Биофиз. Дж. 2004, 86 (3), 1863–1870. 10.1016/S0006-3495(04)74253-8. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Алапан Ю. ; Яса О.; Шауэр О.; Гилтинан Дж.; Табак А. Ф.; Суржик В.; Ситти М. Мягкие бактериальные на основе эритроцитов микропловцы для доставки грузов. Научная робототехника 2018, 3 (17), eaar4423 10.1126/scirobotics.aar4423. [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх А. В.; Ситти М. Узорчатая и специфическая привязанность бактерий на биогибридных микроплавунцах, управляемых бактериями. Доп. Здравоохранение Матер. 2016, 5 (18), 2325–2331. 10.1002/адхм.201600155. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх А. В.; Хоссейнидуст З.; Парк Б.-В.; Яса О.; Ситти М. на основе микроэмульсии мягкие бактериальные микропловцы для активной доставки грузов. АКС Нано 2017, 11 (10), 9759–9769. 10.1021/acsnano.7b02082. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Park B.-W.; Чжуан Дж.; Яса О.; Ситти М. Многофункциональные микропловцы, управляемые бактериями, для целевых активных доставки лекарств. АКС Нано 2017, 11 (9), 8910–8923. 10.1021/acsnano.7b03207. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Мостагачи Б. ; Яса О.; Чжуан Дж.; Ситти М. Биоадгезивные бактериальные микроплунжеры для адресной доставки лекарств. мочевыводящих путей и желудочно-кишечного тракта. Передовой Наука 2017, 4 (6), 1700058. 10.1002/advs.201700058. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Яса О.; Эркоц П.; Алапан Ю.; Ситти М. Микроводоросли на базе микроводорослей Доставка активных грузов. Доп. Матер. 2018, 30 (45), 1804130. 10.1002/adma.201804130. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сантомауро Г.; Сингх А.В.; Парк Б.-В.; Мохаммадрахими М.; Эркоц П.; Геринг Э.; Шютц Г.; Ситти М.; Билл Дж. Включение тербия в микроводоросли Ведет к магнитотактическим пловцам. Передовые биосистемы 2018, 2 (12), 1800039. 10.1002/adbi.201800039. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Эркоц П.; Яса И.К.; Джейлан Х.; Яса О.; Алапан Ю.; Ситти М. Мобильные микророботы для активной терапевтической доставки. Передовая терапия 2019, 2 (1), 1800064. 10.1002/adtp.201800064. [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх А. В.; Ансари М.Х.Д.; Ло П.; Луч А. Микронанороботы: важные соображения при разработке новых платформы доставки лекарств. Мнение эксперта. Доставки лекарств 2019, 16 (11), 1259–1275. 10.1080/17425247.2019.1676228. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Хоссейнидуст З.; Мостагачи Б.; Яса О.; Парк Б.-В.; Сингх А.В.; Ситти М. Биоинженерные и биогибридные бактериальные системы доставки лекарств. Доп. Доставка лекарств, преп. 2016, 106, 27–44. 10.1016/j.addr.2016.09.007. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх А. В.; Ансари М.Х.Д.; Махаджан М.; Шривастава С.; Кашьяп С.; Двиведи П.; Пандит В.; Катя У. Сперматозоид Управляемые микророботы — новые возможности и проблемы для Биологически вдохновленный робототехнический дизайн. Микромашины 2020, 11 (4), 448. 10.3390/ми11040448. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Koch D.L.; Субраманьян Г. Коллектив Гидродинамика плавающих микроорганизмов: живые жидкости. Анну. Преподобный Жидкостный Мех. 2011, 43 (1), 637–659. 10.1146/annurev-fluid-121108-145434. [CrossRef] [Google Scholar]
• Венсинк Х.; Лёвен Х. Возникающие состояния в плотных системах активных стержней: от роения до турбулентности. J. Phys.: Condens. Иметь значение 2012, 24 (46), 464130. 10.1088/0953-8984/24/46/464130. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Пессо Г.; Лёвен Х .; Мензель А. М. Бинарные толкающие-пуллёрные смеси активных микропловцов и их коллективное поведение. Мол. физ. 2018, 116 (21–22), 3401–3408. 10.1080/00268976.2018.1496291. [CrossRef] [Google Scholar]
• Hoell C.; Лёвен Х .; Мензель А. М. Многовидовая динамика Теория функционала плотности для микропловцов: вывод, ориентационная упорядочение, потенциалы захвата и сдвиговые клетки. Дж. Хим. физ. 2019, 151 (6), 064902. 10.1063/1.5099554. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Томасес Б.; Гай Р. Д. Механизмы эластического усиления и препятствия для волновые пловцы конечной длины в вязкоупругих жидкостях. физ. Преподобный Летт. 2014, 113 (9), 098102. 10.1103/PhysRevLett.113.098102. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Schneider C.A.; Расбанд В.С.; Элисейри К. В. Изображение Национального института здравоохранения to ImageJ: 25 лет анализа изображений. Нац. Методы 2012, 9 (7), 671–675. 10.1038/nmeth.2089. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх А. В.; Папа Ансари М. Х.; Даян CB; Гилтинан Дж.; Ван С.; Ю Ю.; Кишор В.; Ло П.; Луч А.; Ситти М. Многофункциональный магнитная головка для непривязанного остеогенеза, ультразвуковой контраст визуализации и доставки лекарств. Биоматериалы 2019, 219, 119394. 10.1016/j.biomaterials.2019.119394. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ценг К.; Дюшемен-Пеллетье Э.; Дешир А.; Балланд М.; Гийу Х .; Филхол О.; Тери М. Пространственная организация внеклеточного матрикса регулирует расположение межклеточного соединения. проц. Натл. акад. науч. США. 2012, 109 (5), 1506. 10.1073/pnas.1106377109. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Pröschold T. ; Харрис Э. Х.; Коулман А. В. Портрет вида: Chlamydomonas Рейнхардти. Генетика 2005, 170 (4), 1601–1610. 10.1534/генетика.105.044503. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Сретенович С.; Стойкович Б.; Догса И.; Костаньшек Р.; Поберай И.; Стопар Д. Ранний механический связывание планктонных бактерий в разбавленных суспензиях. Нац. коммун. 2017, 8 (1), 213. 10.1038/s41467-017-00295-з. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Lauga E.; Пауэрс Т. Р. Гидродинамика плавающих микроорганизмов. Респ. прог. физ. 2009, 72 (9), 096601. 10.1088/0034-4885/72/9/096601. [CrossRef] [Google Scholar]
• Чен С.; Лю С.; Ши X.-к.; Шате Х.; У Ю. Слабая синхронизация и крупномасштабные коллективные колебания в плотных бактериальные взвеси. Природа 2017, 542 (7640), 210. 10.1038/nature20817. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Уилсон М. А.; Бальон А. Р. К. микроструктурный Причины нелинейного отклика в ассоциированных полимерах при колебательных движениях. Сдвиг. полимеры 2017, 9 (11), 556. 10.3390/polym56. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Викрам Сингх А.; Ло П.; Луч А.; Балкришнан С.; Прасад Дакуа С. Сборка нанороботов снизу вверх: расширение синтетических от биологии до сложного дизайна материалов. Фронт. Наноски. нанотехнологии. 2019, 5, 1–2. 10.15761/ФНН.1000С2005. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Чарльтон С.Г.В.; Белый Массачусетс; Яна С.; Эланд Л.Э.; Джаятилаке П.Г.; Берджесс Дж. Г.; Чен Дж.; Випат А.; Кертис Т.П. Регулирование, измерение и моделирование вязкоупругости бактериальных биопленок. Дж. Бактериол. 2019, 201 (18), e00101-19. 10.1128/JB.00101-19. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ibáñez де Альдекоа А.Л.; Зафра О.; Гонсалес-Пастор Х. Э. Механизмы и регуляция высвобождения внеклеточной ДНК и ее биологические роли. в микробных сообществах. Фронт. микробиол. 2017, 8, 1390–1390. 10.3389/fmicb.2017.01390. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Тец Г. В.; Артеменко Н. К.; Тец В. В. Влияние ДНКазы и антибиотиков на характеристики биопленки. Антимикроб. Агенты Чемотер. 2009, 53 (3), 1204–1209. 10.1128/ААС.00471-08. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Штеффе Дж. Ф. Реологические методы в технологии производства пищевых продуктов; Freeman Press: 1996. [Google Scholar]
• Wolgemuth C.W. Коллективное плавание и динамика бактериальной турбулентности. Биофиз. Дж. 2008, 95 (4), 1564–1574. 10.1529/биофиз.107.118257. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Lauga E.; Пауэрс Т. Р. Гидродинамика плавающих микроорганизмов. Респ. прог. физ. 2009, 72 (9), 096601. 10.1088/0034-4885/72/9/096601. [CrossRef] [Google Scholar]
• Saintillan D.; Шелли М.Дж. Нестабильности, формирование паттернов, и перемешивание в активных суспензиях. физ. жидкости 2008, 20 (12), 123304. 10.1063/1.3041776. [CrossRef] [Google Scholar]
• Удекву К. И.; Пэрриш Н.; Анкомах П.; Бакеро Ф. ; Левин Б. Р. Функциональная связь между бактериальными Плотность клеток и эффективность антибиотиков. Дж. Антимикроб. Чемотер. 2009 г., 63 (4), 745–757. 10.1093/jac/dkn554. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Carlsen R. W.; Ситти М. Биогибрид на основе клеток приводы для микросистем. Маленький 2014, 10 (19), 3831–3851. 10.1002/смл.201400384. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Викрам Сингх А.; Ситти М. Целенаправленная доставка лекарств и визуализация с использованием мобильных милли/микророботов: Многообещающее будущее тераностического фармацевтического дизайна. Курс. фарм. Дес. 2016, 22 (11), 1418–1428. 10,2174/1381612822666151210124326. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Чжуан Дж.; Райт Карлсен Р.; Ситти М. рН-таксис биогибридных микросистем. науч. Респ. 2015, 5 (1), 11403. 10.1038/srep11403. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Магнитно настраиваемое двунаправленное движение самособирающегося пропеллера из наносферы

Abstract

Управляемая полем прямая сборка наноразмерного вещества оказывает влияние на различные области науки. В микромасштабных системах такая концепция недавно использовалась для оптимизации движения в вязких жидкостях. Несмотря на большой потенциал миниатюризации, использование самосборки для достижения транспорта на наноуровне остается труднодостижимой задачей. Здесь мы показываем, что гибридным пропеллером, состоящим из ферромагнитного наностержня и парамагнитной микросферы, можно управлять в жидкости в различных режимах, от толкающего до толкающего, когда пара динамически приводится в действие простым осциллирующим магнитным полем. Мы используем этот уникальный дизайн для создания более сложных структур, способных перевозить несколько коллоидных грузов в виде микроскопических поездов, которые быстро разбираются по желанию под действием магнита. Кроме того, наш прототип может быть расширен до меньших наностержней ниже дифракционного предела, но все еще динамически реконфигурируемых приложенным магнитным полем.

Введение

Самосборка на наноуровне, индуцированная внешним полем, оказывает прямое влияние на различные поля ^1,2 , от быстрого изготовления фотонных решеток ^3,4,5 до манипулирования каплями жидкости ^6,7 , структуры ДНК ^8,9 , коллоидные ¹⁰ , или молекулярные ¹¹ сети. Движение микро- и наномашин в жидких средах может произвести революцию в различных новых технологиях, поскольку их можно использовать в качестве эффективных векторов доставки лекарств ^12,13 в микрожидкостных ¹⁴ и биологических ¹⁵ сетях, в качестве неинвазивных микрохирургических аппаратов ¹⁶ или в качестве химических биодетекторов ¹⁷ . Для реализации этих сложных задач требуется надежная и адаптируемая стратегия плавания, основанная на знании физики потоков жидкости при низком числе Рейнольдса, где работают эти прототипы. В таких условиях вязкие силы преобладают над инерционными, а соответствующие гидродинамические законы обратимы во времени ¹⁸ . Прямым, нетривиальным следствием этой обратимости во времени является то, что любой погруженный объект, демонстрирующий возвратно-поступательное движение, а именно симметричное искажение формы вперед и назад, не будет генерировать результирующее движение ¹⁹ . Этой ситуации можно избежать различными способами, например, сконструировав микропропеллеры, которые могут приводиться в действие внешними полями ^{20, 21, 22, 23, 24, 25} , или которые могут действовать как катализаторы химической реакции на их поверхности ^{26 ,27} . Следуя таким стратегиям, большинство реализованных прототипов представляют собой однокомпонентные объекты, не требующие взаимодействия с соседним элементом для перемещения в среде. Модульные прототипы, в которых различные части взаимодействуют и взаимодействуют друг с другом, могут значительно улучшить состояние дел в этой области, обеспечивая разделение на отсеки, высокую полезную нагрузку благодаря большему количеству доступных поверхностей и устойчивость к внешним возмущениям ²⁸ . В то время как недавние эксперименты с ферромагнитными частицами продемонстрировали потенциал такого подхода ^{29,30,31,32,33,34} , наноразмерные многокомпонентные прототипы остаются сложными из-за необходимого сложного баланса между различными силами, возникающими в таком масштабе.

В этой статье мы сообщаем о реализации гибридного пропеллера из наностержней и сфер, которым можно манипулировать и транспортировать в вязких жидкостях с помощью приложения простого магнитного поля в плоскости, зависящего от времени. Внешний импульс вызывает синхронизированное совместное движение между двумя элементами, которые периодически притягиваются и отталкиваются из-за диполярных сил. Периодическое относительное смещение вызывает быстрое вращательное движение наностержня во время каждого цикла поля, которое преобразуется в чистое поступательное движение из-за непосредственной близости ограничивающей пластины. Наш магнитный прототип с перестраиваемой скоростью позволяет переключать направление движения, изменяя либо амплитуду, либо частоту приложенного поля. Таким образом, с помощью экспериментов и численного моделирования мы показываем, что при балансировании магнетизма, гравитации и гидродинамики можно выбрать два разных взаимозаменяемых механизма движения. Помимо достижений однокомпонентных микропловцов, наша система позволяет: (i) независимый и избирательный контроль одного из двух элементов димера, (ii) коллективный транспорт нескольких коллоидных грузов с помощью диполярных сил притяжения и (iii) дальнейшее уменьшение масштаба. размер наностержня, характеристика, которая расширяет спектр наноразмерных объектов, которые можно транспортировать в жидкой среде.

Результаты

Двунаправленное движение гибридного пропеллера

Наш пропеллер на магнитной сборке состоит из парамагнитной сферической частицы радиусом a  = 1,5 мкм и ферромагнитного никелевого наностержня длиной l  = 96  3 и диаметром 4 7  1 мкм. = 400 нм. Оба элемента проявляют различные магнитные свойства во внешнем поле B _ext . Частица приобретает перестраиваемый дипольный момент m _p  = \(\frac{{4\pi }}{{3\mu _0}}\) a ³ χ B _доб , что совпадает с полем. Здесь μ ₀  = 4 π  × 10 ⁻⁷  Hm ⁻¹ , а χ обозначает объемную магнитную восприимчивость 19 704 (см. Методы 19 определения 494). Напротив, никелевый наностержень имеет фиксированный постоянный момент m _n , ориентированный вдоль его длинной оси, как было измерено в отдельных экспериментах (Методы).

Для приведения в движение гибридного прототипа применяется прямоугольная прямоугольная модуляция, характеризующаяся амплитудой B ₀ и частотой ν , B _ext  =  0 B _{sin(2 πνt )) e x , где sign обозначает функцию знака. Эта простая схема срабатывания не вызовет поступательного движения отдельных элементов пары, даже если они расположены близко к граничной стене. В частности, магнитное поле не приводит к движению коллоидной сферы и оказывает крутящий момент на наностержень, вызывая возвратно-поступательное движение, характеризующееся возвратно-поступательным вращением наностержня вокруг его центра. Однако, когда они находятся близко друг к другу, составляющие пары взаимодействуют через диполярные силы, которые вызывают периодические серии последовательностей притяжения-отталкивания. Эти циклы запускают киральное вращение наностержня, следуя динамике поля. В каждом цикле вращательное движение наностержня преобразуется в чистое поступательное из-за непосредственной близости ограничивающей пластины и генерируемой асимметрии силы трения, испытываемой наностержнем 9. 0850 21,22 . Таким образом, направленное движение пары является результатом механизма нарушения симметрии, вызванного согласованным взаимодействием ее составляющих. В отличие от других магнитных прототипов, состоящих из одного блока, здесь направление движения можно переключать, изменяя либо B 0 , либо ν . Как показано на рис. 1а, в, наностержень может действовать либо как тянущий элемент, увлекая за собой парамагнитную сферу (а), либо как толкатель, перемещая частицу перед собой (в). Два направления являются результатом различных механизмов движения, включающих различное равновесие между соответствующими конкурирующими силами: либо: магнетизм и гравитация (а), либо магнетизм и гидродинамика (с). Диаграмма состояний в ( ν , B 0 ) Плона, рис. 1B, показывает, что первый механизм применяется для промежуточных величин B 0 , между Thresholds B}

, Thresholds B _{9969969969996999699699. 14691498} . _{c 2} , и на малых частотах, в то время как ниже B _{c 1} пара не проявляла никакого результирующего движения, и в смещении пары преобладали тепловые флуктуации.