Спонтанное нарушение симметрии и движение магнитных микрочастиц с химическим покрытием

Sep 23, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 17646 (2022 г.) Цитировать эту статью

1090 Доступов

1 Цитаты

86 Альтметрика

Подробности о метриках

Микро/наночастицы с химическим покрытием часто используются в медицине для улучшения доставки лекарств и увеличения их поступления в определенные участки тела. Используя недавно открытый механизм движения со спонтанным нарушением симметрии, мы демонстрируем, что микрочастицы с химическим покрытием могут плавать через раствор слизи при точной навигации и что определенные функционализации могут динамически изменять поведение движения. Для этого исследования биотин, битотин-ПЭГ3-амин и биотин-хитозан были химически функционализированы на поверхности магнитных микрочастиц с использованием комплекса авидин-биотин. Эти химические вещества были выбраны потому, что они широко используются при доставке лекарств, причем ПЭГ и хитозан обладают хорошо известным мукоадгезивным действием. Затем покрытые микрочастицы суспендировали в слизи, синтезированной из муцинов желудка свиньи, и приводили в движение с помощью вращающихся магнитных полей. Взаимосвязь между различными химическими покрытиями, скоростью микрочастиц и управляемостью была тщательно изучена и обсуждена. Результаты показывают, что биотинилированные поверхностные покрытия изменили поведение микрочастиц при движении, при этом различия в характеристиках были связаны как со свойствами магнитного поля, так и со свойствами локализованной слизи. Предполагается, что точно контролируемые микрочастицы, несущие лекарства, помогут заменить традиционные методы доставки лекарств и улучшить существующие медицинские методы, использующие микро/наночастицы.

Технология микроробототехники имеет огромный потенциал для изменения парадигмы медицинского лечения, обеспечивая целенаправленную доставку лекарств, минимально инвазивную хирургию и усиление контрастности для медицинской визуализации. Конкретные области применения включают сохранение редких терапевтических средств за счет точной доставки, очистки артерий и хирургии головного мозга. Чтобы обойти физику низких чисел Рейнольдса1, были разработаны различные микророботы, способные производить невозвратное движение, в том числе микророботы на основе спирали, которые используют преимущества киральной геометрии для движения2, и гибкие микророботы, которые деформируют свои тела для создания поступательного движения3,4. Кроме того, были разработаны частицы Януса, способные перемещаться сквозь объем жидкости с помощью химического разложения5 и самогенерируемых температурных градиентов6,7. Эти методы движения эффективны и ситуативно необходимы, но они сопряжены со сложностью и часто требуют дорогостоящих этапов изготовления8. Хотя доставка лекарств с использованием этих платформ изучалась9,10,11, было бы огромное преимущество в преобразовании существующих микро/наночастиц, уже используемых в медицинских целях, в полностью управляемых микророботов. Помимо помощи в разработке новых целевых терапевтических методов лечения, такой прогресс поддержит существующие исследования в области применения микро/наночастиц, таких как доставка лекарств12, гипотермия13 и магнитно-резонансная томография14.

В поддержку этих усилий недавно было обнаружено, что в неньютоновских жидкостях, подобных ползучим стержням, происходит спонтанное нарушение симметрии, что позволяет симметричным магнитным микрочастицам двигаться вдоль своей оси вращения, используя сжимающий эффект от первой и второй разностей нормальных напряжений жидкости15. До этого исследования простейшими объектами, способными двигаться в неньютоновских жидкостях, были пловцы с гантелями и гребешки, напечатанные на 3D-принтере16,17. Хотя спонтанное нарушение симметрии в настоящее время ограничено подмножеством неньютоновских жидкостей со свойствами, подобными лазанию по стержням, было показано, что эти эффекты возникают в слизистых жидкостях, синтезированных из биологического муцина свиньи15. Учитывая сложность и физико-химические взаимодействия, которые муцины могут иметь при доставке лекарств, необходимо дальнейшее исследование того, как химическая функционализация поверхности влияет на спонтанное нарушение симметрии.

Первоначальное исследование ограничивалось микрочастицами, покрытыми химической функционализацией стрептавидина (авидином)5. Известно, что авидин взаимодействует с биотином и создает одну из самых прочных нековалентных связей, встречающихся в природе18, что делает его весьма желательным в медицине и нанотехнологиях19. По этим причинам многие лекарственные соединения часто содержат функциональные группы биотина, которые позволяют им прикрепляться к микро/наночастицам или другим средствам доставки, покрытым авидином. Обычные медикаментозные методы лечения желудочно-кишечного тракта часто основаны на мукоадгезивных соединениях, которые как увеличивают поглощение полезной нагрузки лекарства, так и обеспечивают правильную локализацию наночастиц, несущих лекарство20. Это ставит под вопрос, могут ли микрочастицы с химическим покрытием, плавающие при спонтанном нарушении симметрии, (1) эффективно плавать внутри слизистых жидкостей и (2) какие различия в скоростях или взаимодействия происходят между различными покрытиями. Возможность быстро и эффективно перемещаться по микрочастицам будет иметь первостепенное значение для их применения в реальных условиях, где скорость процедур введения лекарств будет иметь решающее значение для выздоровления пациентов. В отличие от пассивных микро-/наночастиц, рассмотренных ранее, движущиеся микрочастицы смогут точно перемещаться в целевые места и проникать через сложные жидкости и тканевые среды, не полагаясь исключительно на диффузионные свойства.