Doctoral Thesis

Functional microrobotic systems

Final Thesis 11.24 MB

Author of thesis: Çaǧatay Mert Oral, Ph.D.

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: prof. RNDr. Martin Pumera, Ph.D.

Reviewers: Paula Mayorga Burrezo, Ph.D., Dr. Hamed Shahsavan

Abstract:

Small-scale robots capable of locomotion, sensing, and interaction can have a profound impact on biomedical and environmental applications. Nevertheless, to enable the successful completion of defined tasks, small-scale robots require functional components compatible with the operating conditions. In this thesis, we develop a variety of chemically and externally powered microrobots having functional components for water remediation and targeted imaging. We initially investigate the effect of particle properties on the propulsion of chemical/light-driven hybrid microrobots—demonstrating on-demand speed control by a built-in optical brake. Then, we utilize self-propelled microrobots to remove contaminants, i.e., antibiotics and nitroaromatic compounds, by overcoming diffusion-limited reactions. The results indicate that the microrobots’ removal capacity for target contaminants can be enhanced by the embedded functional components, e.g., photoactive materials and enzymes. As another type of water remediation process, we study the collective behavior of surface-functionalized magnetic microrobots to capture free-swimming bacteria and microplastics under the influence of external magnetic fields. After concluding this chapter with a discussion on key challenges regarding the utilization of microrobots for water remediation, we introduce magnetically controlled systems for targeted imaging applications. We demonstrate that a conventional contrast agent can be equipped with magnetic properties to enable external controllability under different scenarios. Animal experiments indicate the localization of the robotic contrast agents in the gastrointestinal tract of mice to visualize the three-dimensional structure via X-ray micro-computed tomography. Moreover, we develop pH-responsive organic microrobots with magnetic response and intrinsic multi-fluorescence. Under physiologically relevant conditions, these microrobots exhibit a unique fluorescence switching behavior at different pH values to enable the monitoring of gastric acidity at target locations. These results indicate that smart imaging agents can allow untethered controllability with the aim of enhancing the capabilities of conventional imaging-based diagnosis approaches. After discussing key challenges that require interest before the translation of microrobots to the clinic, we summarize the main findings of the thesis in the last chapter. Overall, the functional microrobots presented in this thesis indicate promising features for applications in dynamic and complex scenarios as active systems.

Keywords:

Micromotors, magnetic actuation, photocatalysis, medical imaging, water remediation

Date of defence

04.02.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce pana Orala se zaměřuje na funkční mikrorobotické systémy. V práci byly vyvinuty chemicky a externě napájené mikroroboty pro sanaci vody a cílené zobrazování. Nejprve byl zkoumán vliv vlastností částic na pohon hybridních mikrorobotů poháněných chemicky a světlem, včetně řízení rychlosti pomocí optické brzdy. Následně byly mikroroboty využity k odstraňování kontaminantů, jako jsou antibiotika a nitroaromatické sloučeniny, překonávající difuzní omezení. Výsledky ukazují, že schopnost odstraňování kontaminantů se zvyšuje pomocí funkčních komponent, jako jsou fotoaktivní materiály a enzymy. Další část práce se zaměřuje na kolektivní chování magnetických mikrorobotů k zachycování bakterií a mikroplastů pomocí vnějších magnetických polí. Nakonec jsou představeny magneticky řízené systémy pro cílené zobrazování. Cíle práce byly splněny. Výsledky byly publikovány v prestižních vědeckých časopisech v posledních letech, což je důkazem aktuálnosti disertační práce. V průběhu obhajoby pan Oral prokázal výborné znalosti ve zkoumané oblasti a na dotazy komise odpovědel výborně.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
Dr. Hamed Shahsavan (člen)
Dr. Maria Guix Noguera (člen)
Fatma Merve Yurtsever, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. RNDr. Martin Pumera, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 156,09 kB

Reviewer’s report
Paula Mayorga Burrezo, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 169,53 kB

Reviewer’s report
Dr. Hamed Shahsavan

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 155,81 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová