Magnetically actuated microdevices combining pollutants photodegradation with bacterial killing functionalities for water quality control

Nowadays water quality control is a critical issue because of the presence of pollutants and bacteria. Monitoring their presence and actively working on their reduction is one of the major problems that human beings have to face in order to protect the environment. Microrobotics has been proven to be one of the tools to target this challenge, because it allows performing specific intervention down to the microscale. In the present work, 3D printed lamellar microdevices have been designed and then manufactured exploiting stereolithographic (SLA) techniques and subsequent electrochemical deposition methods. The structure is first obtained via photopolymerization of a resin and then electroplated with a magnetic layer of cobalt-nickel-phosphor CoNiP, which is fundamental for the magnetic rolling actuation. Finally, the devices are covered with a composite film composed of TiO2 nanoparticles embedded into a silver matrix. Respectively, titania provides the photocatalytic properties, whereas silver is responsible for the antibacterial activity. Results have shown that these microrobots are able to perform photodegradation of the organic pollutant Rhodamine B. Furthermore, preliminary investigations showed high bacterial killing efficiency (up to 97%) at low concentrations and for short durations of treatment time. The relative ease of manipulation together with their performances demonstrates that microrobots fabricated in the present work can become a valuable alternative for the control and the improvement of water quality.

Al giorno d’oggi il controllo della qualità dell’acqua è una questione ancora delicata a causa della presenza di agenti inquinanti e di colonie batteriche. La ricerca continua per limitarne la diffusione è un problema fondamentale che l’umanità dovrà affrontare per la salvaguardia dell’ambiente. La microrobotica è uno strumento che permette di raggiungere questo obiettivo, poiché consente l’intervento specifico con risoluzioni microscopiche. Nel presente lavoro, microstrutture lamellari stampate in 3D sono state disegnate e poi fabbricate sfruttando prima tecniche di stereolitografia e successivamente metodi di deposizione elettrochimica. Come primo passaggio, la struttura viene consolidata attraverso la fotopolimerizzazione della resina e poi ricoperta con uno strato magnetico di cobalto-nichel-fosforo (CoNiP), fondamentale per l’attuazione a rolling attraverso l’OctoMag. Infine, i microrobot sono ricoperti da un film composito di nanoparticelle di TiO2 in una matrice d’argento. Rispettivamente, la titania fornisce proprietà fotocatalitiche, mentre l’argento è responsabile dell’attività antibatterica. I risultati mostrano che i microrobot fabbricati possono fotodegradare l’agente inquinante organico Rodamina B, con una velocità di 0,0011 l/(mg s), dopo 6 ore di esposizione ai raggi ultravioletti. Inoltre, investigazioni preliminari mostrano alta efficienza di eliminazione dei batteri (fino al 97%) a basse concentrazioni e per brevi durate di trattamento. Grazie alla relativa semplicità di manipolazione abbinata alle loro performance, i microrobot realizzati in questo progetto possono diventare una valida alternativa per il controllo e il miglioramento delle nostre acque.