Studies of Different Swarm Modes for the MNPs Under the Rotating Magnetic Field

The principal constraint in the application of the microrobots in drug delivery is swarm control. The rotating magnetic field has shown the potential of capturing and controlling the swarm of magnetic nanoparticle-based microrobots. Despite various experimental studies to capture the swarm of the magnetic nanoparticle-based microrobot in a rotating magnetic field, a simulation platform for the swarm of aggregated magnetic nanoparticles (MNPs) has not been introduced. This study proposes a simulation platform to study the swarm of aggregated magnetic nanoparticles in a rotating field. An experimental setup was developed to investigate the different swarm modes in a rotating magnetic field, and the results show an agreement between the experimental and simulation results for the micro- and nanoparticles. The effects of the environmental parameters (initial dispersion of nanoparticles), process parameters (magnetic field intensity, frequency, actuation time), and geometrical parameters (particle diameter) were studied to describe the swarm behavior in a rotating magnetic field. These studies revealed the role of each parameter in creating the swarm and showed how the size of aggregates can be controlled. The presented approach can be used to design the magnetic nanoparticle-based microrobots effectively

Sequential tasks performed by catalytic pumps for colloidal crystallization

Gold-platinum catalytic pumps immersed in a chemical fuel are used to manipulate silica colloids. The manipulation relies on the electric field and the fluid flow generated by the pump. Catalytic pumps perform various tasks, such as the repulsion of colloids, the attraction of colloids, and the guided crystallization of colloids. We demonstrate that catalytic pumps can execute these tasks sequentially over time. Switching from one task to the next is related to the local change of the proton concentration, which modifies the colloid zeta potential and consequently the electric force acting on the colloids

Magnetically Driven Micro and Nanorobots

Manipulation and navigation of micro and nanoswimmers in different fluid environments can be achieved by chemicals, external fields, or even motile cells. Many researchers have selected magnetic fields as the active external actuation source based on the advantageous features of this actuation strategy such as remote and spatiotemporal control, fuel-free, high degree of reconfigurability, programmability, recyclability, and versatility. This review introduces fundamental concepts and advantages of magnetic micro/nanorobots (termed here as "MagRobots") as well as basic knowledge of magnetic fields and magnetic materials, setups for magnetic manipulation, magnetic field configurations, and symmetry-breaking strategies for effective movement. These concepts are discussed to describe the interactions between micro/nanorobots and magnetic fields. Actuation mechanisms of flagella-inspired MagRobots (i.e., corkscrew-like motion and traveling-wave locomotion/ciliary stroke motion) and surface walkers (i.e., surface-assisted motion), applications of magnetic fields in other propulsion approaches, and magnetic stimulation of micro/nanorobots beyond motion are provided followed by fabrication techniques for (quasi)spherical, helical, flexible, wire-like, and biohybrid MagRobots. Applications of MagRobots in targeted drug/gene delivery, cell manipulation, minimally invasive surgery, biopsy, biofilm disruption/eradication, imaging-guided delivery/therapy/surgery, pollution removal for environmental remediation, and (bio)sensing are also reviewed. Finally, current challenges and future perspectives for the development of magnetically powered miniaturized motors are discussed

Study on Magnetic Control Systems of Micro-Robots

Magnetic control systems of micro-robots have recently blossomed as one of the most thrilling areas in the field of medical treatment. For the sake of learning how to apply relevant technologies in medical services, we systematically review pioneering works published in the past and divide magnetic control systems into three categories: stationary electromagnet control systems, permanent magnet control systems and mobile electromagnet control systems. Based on this, we ulteriorly analyze and illustrate their respective strengths and weaknesses. Furthermore, aiming at surmounting the instability of magnetic control system, we utilize SolidWorks2020 software to partially modify the SAMM system to make its final overall thickness attain 111 mm, which is capable to control and observe the motion of the micro-robot under the microscope system in an even better fashion. Ultimately, we emphasize the challenges and open problems that urgently need to be settled, and summarize the direction of development in this field, which plays a momentous role in the wide and safe application of magnetic control systems of micro-robots in clinic

Advances in colloidal manipulation and transport via hydrodynamic interactions

In this review article, we highlight many recent advances in the field of micromanipulation of colloidal particles using hydrodynamic interactions (HIs), namely solvent mediated long-range interactions. At the micrsocale, the hydrodynamic laws are time reversible and the flow becomes laminar, features that allow precise manipulation and control of colloidal matter. We focus on different strategies where externally operated microstructures generate local flow fields that induce the advection and motion of the surrounding components. In addition, we review cases where the induced flow gives rise to hydrodynamic bound states that may synchronize during the process, a phenomenon essential in different systems such as those that exhibit self-assembly and swarming

Shape-Controlled Self-Assembly of Light-Powered Microrobots into Ordered Microchains for Cells Transport and Water Remediation

Nature presents the collective behavior of living organisms aiming to accomplish complex tasks, inspiring the development of cooperative micro/nanorobots. Herein, the spontaneous assembly of hematite-based microrobots with different shapes is presented. Autonomous motile light-driven hematite/Pt microrobots with cubic and walnut-like shapes are prepared by hydrothermal synthesis, followed by the deposition of a Pt layer to design Janus structures. Both microrobots show a fuel-free motion ability under light irradiation. Because of the asymmetric orientation of the magnetic dipole moment in the crystal, cubic hematite/Pt micro-robots can self-assemble into ordered microchains, contrary to the random aggregation observed for walnut-like microrobots. The microchains exhibit different synchronized motions under light irradiation depending on the mutual orientation of the individual microrobots during the assembly, which allows them to accomplish multiple tasks, including capturing, picking up, and transporting microscale objects, such as yeast cells and suspended matter in water extracted from personal care products, as well as degrading polymeric materials. Such light-powered self-assembled microchains demonstrate an innovative cooperative behavior for small-scale multitasking artificial robotic systems, holding great potential toward cargo capture, transport, and delivery, and wastewater remediation

Magnetic field stimulation of magnetic nanoparticles for the intensification of scalar transport

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM.Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties.In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased

Enzyme Powered Nanomotors Towards Biomedical Applications

[eng] The advancements in nanotechnology enabled the development of new diagnostic tools and drug delivery systems based on nanosystems, which offer unique features such as large surface area to volume ratio, cargo loading capabilities, increased circulation times, as well as versatility and multifunctionality. Despite this, the majority of nanomedicines do not translate into clinics, in part due to the biological barriers present in the body. Synthetic nano- and micromotors could be an alternative tool in nanomedicine, as the continuous propulsion force and potential to modulate the medium may aid tissue penetration and drug diffusion across biological barriers. Enzyme-powered motors are especially interesting for biomedical applications, owing to their biocompatibility and use of bioavailable substrates as fuel for propulsion. This thesis aims at exploring the potential applications of urease-powered nanomotors in nanomedicine. In the first work, we evaluated these motors as drug delivery systems. We found that active urease- powered nanomotors showed active motion in phosphate buffer solutions, and enhanced in vitro drug release profiles in comparison to passive nanoparticles. In addition, we observed that the motors were more efficient in delivering drug to cancer cells and caused higher toxicity levels, due to the combination of boosted drug release and local increase of pH produced by urea breakdown into ammonia and carbon dioxide. One of the major goals in nanomedicine is to achieve localized drug action, thus reducing side-effects. A commonly strategy to attain this is the use moieties to target specific diseases. In our second work, we assessed the ability of urease-powered nanomotors to improve the targeting and penetration of spheroids, using an antibody with therapeutic potential. We showed that the combination of active propulsion with targeting led to a significant increase in spheroid penetration, and that this effect caused a decrease in cell proliferation due to the antibody’s therapeutic action. Considering that high concentrations of nanomedicines are required to achieve therapeutic efficiency; in the third work we investigated the collective behavior of urease-powered nanomotors. Apart from optical microscopy, we evaluated the tracked the swarming behavior of the nanomotors using positron emission tomography, which is a technique widely used in clinics, due to its noninvasiveness and ability to provide quantitative information. We showed that the nanomotors were able to overcome hurdles while swimming in confined geometries. We observed that the nanomotors swarming behavior led to enhanced fluid convection and mixing both in vitro, and in vivo within mice’s bladders. Aiming at conferring protecting abilities to the enzyme-powered nanomotors, in the fourth work, we investigated the use of liposomes as chassis for nanomotors, encapsulating urease within their inner compartment. We demonstrated that the lipidic bilayer provides the enzymatic engines with protection from harsh acidic environments, and that the motility of liposome-based motors can be activated with bile salts. Altogether, these results demonstrate the potential of enzyme-powered nanomotors as nanomedicine tools, with versatile chassis, as well as capability to enhance drug delivery and tumor penetration. Moreover, their collective dynamics in vivo, tracked using medical imaging techniques, represent a step-forward in the journey towards clinical translation.[spa] Recientes avances en nanotecnología han permitido el desarrollo de nuevas herramientas para el diagnóstico de enfermedades y el transporte dirigido de fármacos, ofreciendo propiedades únicas como encapsulación de fármacos, el control sobre la biodistribución de estos, versatilidad y multifuncionalidad. A pesar de estos avances, la mayoría de nanomedicinas no consiguen llegar a aplicaciones médicas reales, lo cual es en parte debido a la presencia de barreras biológicas en el organismo que limitan su transporte hacia los tejidos de interés. En este sentido, el desarrollo de nuevos micro- y nanomotores sintéticos, capaces de autopropulsarse y causar cambios locales en el ambiente, podrían ofrecer una alternativa para la nanomedicina, promoviendo una mayor penetración en tejidos de interés y un mejor transporte de fármacos a través de las barreras biológicas. En concreto, los nanomotores enzimáticos poseen un alto potencial para aplicaciones biomédicas gracias a su biocompatibilidad y a la posibilidad de usar sustancias presentes en el organismo como combustible. Los trabajos presentados en esta tesis exploran el potenical de nanomotores, autopropulsados mediante la enzima ureasa, para aplicaciones biomédicas, y investigan su uso como vehículos para transporte de fármacos, su capacidad para mejorar penetración de tejidos diana, su versatilidad y movimiento colectivo. En conjunto, los resultados presentados en esta tesis doctoral demuestran el potencial del uso de nanomotores autopropulsados mediante enzimas como herramientas biomédicas, ofreciendo versatilidad en su diseño y una alta capacidad para promover el transporte de fármacos y la penetración en tumores. Por último, su movimiento colectivo observado in vivo mediante técnicas de imagen médicas representan un significativo avance en el viaje hacia su aplicación en medicina