Hurtig nanopartikeldiffusion i synovialvæske og hyaluronsyreopløsninger

Nanopartikler har anvendelser som terapeutiske midler til ledsygdomme såsom slidgigt. Men rollen af ​​nanopartikeldiffusion i ledvæske eller væsken inde i leddet er ufuldstændigt forstået. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Mythreyi Unni og et forskerhold i kemiteknik og biomedicinsk teknik i USA brugte Stokes-Einstein-forholdet til at beskrive rotations- og translationsdiffusionen af ​​polymer-coatede nanopartikler i hvilende synovialvæske og hyaluronsyreopløsninger. Resultaterne gav indsigt i den diffusive adfærd af polymer-coatede uorganiske nanopartikler i komplekse aggregater af biologiske miljøer, der typisk er til stede i leddet.

Nanopartikler i laboratoriet

Nanopartikler er terapeutiske og diagnostiske midler, og forskere søger at forstå deres diffusion i biologiske væsker - nøglen til kliniske anvendelser. Partiklerne kan konstrueres til at overvåge og behandle slidgigt, selvom deres roller for diffusion i ledvæsker stadig skal forstås. I dette arbejde, Unni et al. studeret translationel og rotationsdiffusion af kolloidal, stabile og neutrale nanopartikler i bovin synovialvæske og i hyaluronsyreopløsninger, hvoraf sidstnævnte udgør en væsentlig bestanddel af ledvæske i leddet. Partikler kan overføres i en væske ved konvektion og diffusion baseret på tilfældige termiske fluktuationer beskrevet gennem deres translationelle og roterende diffusivitet som en funktion af partikel- og væskeegenskaber. Imidlertid, afvigelser fra Stokes-Einstein-relationerne er forekommet i sådanne nanopartikler i opløsning. Nanopartikeldiffusion i biologiske og polyelektrolytløsninger mangler derfor, og denne information kan danne en væsentlig guide til design af nanopartikler til biomedicinske anvendelser, herunder terapi og diagnosticering af ledsygdomme. Unni et al. brugte røntgenfoton-korrelationsspektroskopimålinger og dynamiske magnetiske følsomhedsmålinger og under eksperimenterne, de sikrede den kolloide stabilitet af nanopartikler ved at belægge dem med polyethylenglycol. Resultaterne af undersøgelsen gav indsigt i polymercoatede nanopartiklers adfærd i biologiske miljøer.

Unni et al. brugte polymercoatede koboltferritnanopartikler af forskellige hydrodynamiske størrelser under undersøgelsen. Nanopartiklerne bibeholdt en uorganisk kernediameter og en hydrodynamisk diameter, som holdet målte ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi. Forskerne brugte flash-nanoudfældning til at fremstille større sammensatte nanopartikler og studerede deres rotationsdiffusion i bovin synovialvæske med reologiske karakteriseringsundersøgelser. Ved hjælp af småvinklet røntgenspredningsmålinger, de evaluerede strukturen og aggregeringstilstanden af ​​nanopartiklerne i ledvæsken. Unni et al. studerede derefter nanopartiklerne i ledvæske ved hjælp af røntgenfoton-korrelationsspektroskopi, hvilket foreslog Brownsk diffusion af partiklerne. Når de udsatte materialerne for vekslende magnetiske felter, de reagerede ved fysisk partikelrotation, kendt som Brownsk afslapning, som fulgte Debye-modellen. Dynamiske magnetiske følsomhedsmålinger af de coatede nanopartikler i ledvæske viste, hvordan større substrater var mere væsentligt begrænset i væsken. Holdet studerede derefter diffusionen af ​​nanopartikler i hyaluronsyreopløsninger - hovedbestanddelen af ​​ledvæske.

Diffusion af nanopartikler i hyaluronsyreopløsninger

Holdet brugte yderligere hyaluronsyre og karakteriserede dem ved hjælp af reometri og noterede tilsyneladende newtonsk adfærd for opløsninger med koncentrationer under 1 mg/ml. Holdet udførte derefter småvinklet spredningsrøntgenspektroskopi for at studere strukturen og aggregeringstilstanden af ​​nanopartikler i hyaluronsyreopløsninger og i vand. Mens de sammensatte nanopartikler forblev intakte i vand, holdet bemærkede bredere polydispersitet for nanopartikler i hyaluroniske opløsninger. Viskositeten i nanoskala var forskellig fra den makroskopiske lavforskydningsviskositet bestemt ud fra reometri. Rotationsdiffusionskoefficienterne var også forskellige for de to typer nanopartikler, hvor værdierne for de mindre nanopartikler var mindre end værdierne for de større kompositpartikler. Baseret på nanopartiklernes opførsel, holdet antog, at den omgivende medium viskositet var meget større end opløsningsmidlets viskositet, som passede med Albert Einsteins undersøgelser af teorien om Brownsk bevægelse. Imidlertid, i 1942, fysiker Maurice L. Huggins modificerede Einsteins model til at beskrive viskositeten af ​​polymere opløsninger, og hypotesen præsenteret i dette arbejde af Unni et al. aftalt med den ændrede model.

Outlook

På denne måde Mythreyi Unni og kolleger præsenterede en reduktionistisk tilgang til at forstå transporten af ​​nanopartikler i et overfyldt og indelukket led, ved at studere diffusionen af ​​nanopartikler i ledvæske og i hyaluronsyreopløsninger, der typisk udgør ledvæske. Væskens sammensætning og rheologiske egenskaber kan variere med alder og sygdom for at påvirke nanopartikeldiffusion. Yderligere undersøgelser med nanopartikler af et bredere størrelsesområde og belægninger bør bruges til at vurdere transporten af ​​nanopartikler i porøs brusk og flerlags synovium. Holdet beskrev diffusionskoefficienten for de polymerbelagte nanopartikler ved hjælp af Stokes-Einstein-forholdet og fulgte dette med beskrivelser af mediets viskositet ved hjælp af en model udviklet af Huggins. Arbejdet viste, hvordan den diffusive adfærd af polymer-coatede nanopartikler i biologisk væske og deres bestanddele kan guide nanopartikeldesigns i biomedicin.

© 2021 Science X Network