Onderzoek toont aan dat chemische coatings microdeeltjes kunnen beïnvloeden die ‘zwemmen’ in slijmoplossingen

Overzicht van experimentele opstelling en magnetische veldinteracties. (a) Met Avidine gecoate magnetische microdeeltjes worden gefunctionaliseerd met een van de drie verbindingen: biotine, biotine-PEG3-amine of biotine-chitosan. Gefunctionaliseerde microdeeltjes worden gesuspendeerd in een 4% mucine-oplossing en geladen in een monsterkamer die in het midden van een ongeveer Helmholtz-spoelsysteem is geplaatst. Programmeerbare voedingen en cameravisualisatie worden gebruikt om microdeeltjes door het slijm te navigeren met roterende magnetische velden. Chemische structuren werden geëxtraheerd uit Chemspyder en HAworks. (b) Magnetische velden geproduceerd door het Helmholtz-spoelsysteem en hun relatie met Vgl. (1–3). Wanneer een microdeeltje in een staafklimmende vloeistof wordt getordeerd door een magnetisch veld, zal het voortbewegen langs een voortstuwingsas loodrecht op zijn symmetrievlak. Er kunnen twee voortstuwingstoestanden worden bereikt (U₊,U₋) willekeurig wanneer er geen statisch veld wordt toegepast (B_s = 0). Elke voortstuwingstoestand kan naar believen worden geselecteerd wanneer een niet-nul statisch veld wordt aangelegd (B_s ≠ 0). Rode en blauwe halve bollen vertegenwoordigen magnetische dipolen. Credit: Wetenschappelijke rapporten (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-21725-z

Gezamenlijk onderzoek tussen SMU-autoriteit op het gebied van nanorobotica, MinJun Kim’s Biological Actuation, Sensing, and Transport (BAST) Lab en het internationale onderzoeks- en ingenieursbureau ARA heeft voor het eerst aangetoond dat bepaalde chemische coatings, aangebracht op micro-/nanodeeltjes, hun voortstuwing tijdens het zwemmen in biologische systemen kunnen veranderen. vloeistoffen.

Het gezamenlijke onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten.

Het ontwerpen van gespecialiseerde oppervlaktecoatings om specifieke voortstuwingseigenschappen te genereren, zal nieuwe benaderingen bieden voor strategieën voor medicijnafgifte, concludeert de studie. Door snel door microdeeltjes te kunnen navigeren, wordt de inzet van geneesmiddelen ondersteund wanneer de toedieningssnelheid van cruciaal belang is voor het herstel van de patiënt. Bovendien kunnen ze door deze “zwemmende” microdeeltjes precies navigeren door complexe vloeistoffen en weefselomgevingen naar gerichte locaties in het menselijk lichaam.

“Dankzij het partnerschap van SMU zullen we de grenzen van microrobotica-onderzoek blijven verleggen en kijken we ernaar uit om ons lopende werk met de wetenschappelijke gemeenschap te delen”, zegt Louis William Rogowski, hoofdonderzoeker microrobotica bij ARA. “We zijn vereerd dat ons gezamenlijke onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten.”

Rogowski, Kim en hun teamleden konden aantonen dat het veranderen van de oppervlaktechemie van microdeeltjes het voortstuwingsgedrag dynamisch kan veranderen.

“We zijn verheugd om de haalbaarheid te zien van chemisch gecoate magnetische microdeeltjes voor nauwkeurige navigatie in lichaamsvloeistoffen”, zegt Kim, de Robert C. Womack-leerstoel aan de Lyle School of Engineering van SMU en hoofdonderzoeker van het BAST Lab. “We zullen blijven samenwerken om een ​​nieuw type microrobotica te ontwikkelen voor gerichte medicijnafgiftesystemen.”

Voor deze studie werden biotine, biotine-PEG3-amine en biotine-chitosan chemisch aangebracht op het oppervlak van microdeeltjes. Gecoate microdeeltjes werden vervolgens gesuspendeerd in slijm gesynthetiseerd uit varkensmaagmucinen (glycoproteïnen gevonden in slijm) en genavigeerd met roterende magnetische velden met behulp van een spontaan symmetrie-brekend voortstuwingsmechanisme. De oppervlaktecoatings veranderden het voortstuwingsgedrag van microdeeltjes, afhankelijk van zowel magnetische veldeigenschappen als gelokaliseerde slijmeigenschappen.

Volgende stappen, zeggen de onderzoekers, omvatten het coaten van microdeeltjes met een daadwerkelijke farmaceutische verbinding en het meten van de opname in levende omgevingen met behulp van “zwermen” microdeeltjes, of het onderzoeken van celmembraaninteracties. Het ontwerpen van gespecialiseerde oppervlaktecoatings om specifieke voortstuwingseigenschappen te genereren, zal ook nieuwe benaderingen bieden voor strategieën voor medicijnafgifte. De auteurs hopen dat de studie de belangstelling voor voortstuwingsmechanismen op basis van microdeeltjes zal vergroten en nieuwe innovaties zal helpen bieden voor gerichte toepassingen voor medicijnafgifte.