Mikrorobotter i sværme til medicinsk embolisering

Vedligeholdelse af sværmintegritet ved målrettede vejkryds. (A) Skema, der illustrerer brugen af magnetiske partikelsværme til at blokere krydsene inde i et målområde. (B) Skematisk analyse af de kræfter, der udøves på spidspartikler. De brune cirkler indikerer magnetiske partikler. De sorte stiplede cirkler angiver spidspartiklerne. De magnetiske vekselvirkningskræfter og deres resulterende vekselvirkningskraft er angivet med henholdsvis tynde blå pile og en tyk blå pil. Den fluidiske modstandskraft og reaktionskraften er angivet med tykke røde pile. γ er forgreningsvinklen for krydset. θ er vinklen mellem den magnetiske interaktionskraft og x-aksen. Konfigurationerne af partikler ved krydsninger med forskellige forgreningsvinkler er vist i de grønne felter. Lilla områder repræsenterer væggene i kryds. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Mikrorobotiske midler kan danne sværme af målrettet lægemiddellevering til forbedrede billeddannelsesanalyser. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Junhui Law og et team af forskere inden for mekanisk og industriel teknik, kunstig intelligens og biomedicinsk teknik ved University of Toronto og Shanghai University, Kina, afveg fra den typiske proces med lægemiddelterapi for at lette sværembolisering. Processen er en medicinsk teknik, der bruges til at blokere blodkar under behandling for trombose og arteriovenøse misdannelser. Magnetiske partikelsværme tilbyder mere præcis embolisering og kan opretholde sværmens integritet inde i et målområde under fluidiske strømningsforhold. Baseret på eksperimenter i mikrofluidkanaler, ex vivo væv og in vivo svinenyrer, validerede Law og teamet effektiviteten af den foreslåede strategi for selektiv embolisering.

Kollektive sværme

Kollektiv adfærd er allestedsnærværende i naturen, hvor fiskestimer og sværme af insekter kan udføre komplekse opgaver. Bioingeniører er inspireret af den kollektive intelligens i naturlige sværme til at udvikle en række mikrorobotter til forskellige applikationer. I dette arbejde udviklede forskerne en aktiveringsstrategi til at integrere magnetiske partikelsværme for nøjagtigt at embolisere blodgennemstrømningen inde i et målrettet område til selektiv embolisering i en dyremodel. Arbejdet gav dybere indsigt og et proof-of-concept-studie for at forstå mikro-robotsværmens adfærd under fysiologiske forhold.

Sværmintegritet under flow

Forskerholdet opnåede selektiv embolisering ved at generere mikrorobotiske sværme efter behov for at blokere blodkar inden for en målrettet region. De brugte super-paramagnetiske partikler med diametre mindre end røde og hvide blodlegemer til deres fordeling i blodkapillærer. Forskerne coatede mikropartiklerne i thrombin for at omdanne opløseligt fibrinogen i blodet til fibrinmasker, der indeholder røde blodlegemer med partiklerne.
Holdet bemærkede, hvordan sværmene delte sig under strømning på grund af svage interaktioner mellem partiklerne. Forskerholdet opretholdt sværmintegritet inden for mikrofluidiske kanaler under fysiologisk relevante forhold, herunder blodkarforgrening og blodgennemstrømning. De modellerede derefter en sværm ved et kryds for at forstå forholdet mellem forgreningsvinklen, strømningshastigheden og sværmens integritet i forhold til magnetfeltstyrken. Mens sværme delte sig, når den påførte magnetiske feltstyrke var lavere end den beregnede værdi, bevarede sværme deres integritet ved et kryds, når den påførte magnetiske feltstyrke var højere end den beregnede værdi.

Eksperimentelle valideringer af modellen. (A og B) Forholdet mellem kritisk magnetisk feltstyrke Bkritisk og flowhastighed ved krydsninger med forskellige forgreningsvinkler γ i henholdsvis svine fuldblod og PBS. (C og D) Sværmes integritet, når den påførte magnetiske feltstyrke var henholdsvis lavere og højere end Bkritisk. Målestok, 20 μm. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Selektiv vedligeholdelse af sværmintegritet

Forskerne søgte at udvikle lav magnetisk feltstyrke til selektiv embolisering for at forringe sværmenes integritet og forhindre utilsigtet blokering. De opretholdt en aktiveringsstrategi for vedvarende sværmintegritet i en målrettet region. På trods af skiftende magnetfeltfordelinger opretholdt holdet høj magnetfeltstyrke inden for målområdet. Sværme, der dannedes uden for målområdet, stødte på magnetiske felter med lav styrke og kunne derfor ikke opretholde deres integritet. Forskerne validerede den foreslåede aktiveringsstrategi via eksperimenter.

Embolisering i mikrofluidiske kanaler og proof-of-concept undersøgelser

Forskerholdet testede effektiviteten af at bruge magnetiske partikelsværme til at blokere blodgennemstrømningen og målte blodgennemstrømningshastigheden under forskellige forhold. De sikrede synlighed under optisk mikroskopi ved at fortynde porcin blodgennemstrømning i mikrofluidkanaler med 120⁰ forgreningsvinkler. Holdet målte flowhastigheden ved at beregne hastigheden af de røde blodlegemer for at forstå den gennemsnitlige flowhastighed, som udgjorde et gennemsnit på 84 µm/s. Forskerne demonstrerede en aktiveringsstrategi sammen med thrombin-coatede magnetiske partikler til selektiv embolisering med minimal utilsigtet blokering ud over et målområde. De udførte derefter proof-of-concept-eksperimenter i et svineblodkar ex vivo ved hjælp af mikrorobotiske sværme og afbildede et blodkar med en forgreningsvinkel på 30 grader via et ultralydsbilleddannelsessystem. De injicerede desuden thrombin-overtrukne magnetiske partikler ind i blodkarret med en strømningshastighed på 80 µm/s og noterede en lysende plet ved krydset, hvilket indikerer dannelsen af en sværm for at bekræfte emboliseringen af blodkarret via sværmen. Efter ex vivo undersøgelser testede holdet den foreslåede strategi for selektiv embolisering i in vivo svinenyrer for at realisere selektiv embolisering.

Aktiveringsstrategi for selektiv vedligeholdelse af sværmintegritet og eksperimentel validering. (A) Skematisk illustration af den foreslåede aktiveringsstrategi. De sorte cirkler angiver det målrettede område. De brune og hvide spoler er henholdsvis dominerende og hjælpespoler. De sorte linjer adskiller arbejdsområdet i områder med magnetfeltstyrkerne højere og lavere end Bkritisk. Den sorte pilespids angiver strømningsretningen. (B) Skematisk illustration af de målrettede og ikke-målrettede regioner beskrevet i brute-force-søgningen. Den sorte cirkel angiver målområdet. Radius rQ og midterposition PQ for målområdet er mærket. De ikke-målrettede underområder U1, U2, U3 og U4 er fremhævet med forskellige farver. (C) Eksperimentel succesrate for den foreslåede strategi til at opretholde sværmens integritet i tre tilfælde. De eksperimentelle data i hver lille firkant blev målt fra uafhængige mikrofluidkanaler, og fire eksperimenter blev gentaget for at bestemme succesraten. De sorte cirkler angiver de målrettede områder. (D) Eksperimentel rumlig fordeling af lokationer med en succesrate på 75 % og derover i tre tilfælde. Den venstre indsættelse viser et tomt kryds, der indikerer, at sværme blev delt, og det højre indsatte viser en sværm, der er blevet opretholdt i et kryds. De sorte cirkler angiver de målrettede områder. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolisering i mikrofluidkanaler. (A) Forskellige betingelser for at reducere blodgennemstrømningshastigheden. Strømningshastighederne blev målt, når betingelserne blev holdt aktiveret i 10 min. Fejlbjælkerne repræsenterer SD for 10 forsøg. MP'er betegner magnetiske partikler. (B) Scanning elektronmikroskopi billede af en koagulationssværm. Til visualisering blev RBC'er fra svin, fibrinmasker og magnetiske partikler kunstigt farvet i henholdsvis rød, grøn og blå. Målestok, 2 μm. (C) Eksperimentelle resultater af embolisering i mikrokanaler under anvendelse af thrombin-coatede magnetiske partikler. Målestok, 20 μm. (D) Indgangsstrømningshastigheden af fortyndet svineblod i mikrofluidkanalerne (gennemsnitlig strømningshastighed:83 μm/s). (E) Eksperimentelt målt strømningshastighed i mikrofluidkanalerne under forskellige emboliseringsbetingelser. Strømningshastighederne blev målt, når betingelserne blev holdt aktiveret i 10 min. For (D) og (E) blev dataene i hver lille firkant målt fra uafhængige mikrofluidkanaler, og tre eksperimenter blev udført for at opnå en gennemsnitlig strømningshastighed. De sorte cirkler angiver det målrettede område. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolisering i svineorganer. (A) Dannelse af en koagulationssværm ved krydset af et ex vivo svineblodkar. De røde stiplede linjer skitserer blodkarret og krydset, og den gule stiplede linje skitserer koaguleringssværmen. Den grønne pil viser strømningsretningen for mikrobobler. Skalastang, 10 mm. (B) Skematisk illustration af injektionsstedet for en ex vivo svineomentum i eksperimenter. Sorte pile angiver strømningsretningen. (C) Selektiv embolisering i blodkarnetværket af et ex vivo porcint omentum med målområdet centreret ved (5 mm, -5 mm). De sorte cirkler angiver målområdet, de røde pile angiver blodgennemstrømningsretningen, og de blå pile angiver strømningsretningen for blåt farvestof. (D) Optisk mikroskopibillede, der viser en sværm dannet ved det målrettede kryds af et ex vivo svineomentum. De røde stiplede linjer skitserer blodkarret og krydset, og de gule stiplede linjer skitserer den magnetiske partikelsværm. Målestok, 200 μm. (E) Digital subtraktionsangiografi resultater af in vivo svinenyrer under forskellige emboliseringsbetingelser. De orange prikkede cirkler angiver målområderne. Skalastang, 50 mm. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Outlook

På denne måde udviklede Junhui Law og kolleger en aktiveringsstrategi til at regulere magnetiske partikelsværme til selektiv embolisering. De mikrorobotiske sværme dannet via aktiveringsstrategien giver en potentiel løsning til selektiv embolisering i klinikken for at forhindre komplikationer, der opstår via ikke-selektive emboliseringsmekanismer. + Udforsk yderligere

Bombay-strandbegivenhed viser vanskeligheder med forudsigelse af jordskælvsværm

Sidste artikelHelium-ion-beam nanofabrikation:Ekstreme processer og applikationer

Næste artikelForvandling af fiskeaffald til kulstofbaseret kvalitetsnanomateriale