Mikrorobotische Wirkstoffe können Schwärme gezielter Wirkstoffabgabe für verbesserte bildgebende Analysen bilden. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte, Junhui Law und ein Team von Forschern in Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, künstlicher Intelligenz und biomedizinischer Technik an der University of Toronto und der Shanghai University, China, wichen vom typischen Prozess der medikamentösen Therapie ab, um die Schwarmembolisation zu erleichtern. Das Verfahren ist eine medizinische Technik, die verwendet wird, um Blutgefäße während der Behandlung von Thrombosen und arteriovenösen Missbildungen zu blockieren. Magnetpartikelschwärme bieten eine präzisere Embolisation und können die Schwarmintegrität innerhalb einer Zielregion unter Fluidströmungsbedingungen aufrechterhalten. Basierend auf Experimenten in mikrofluidischen Kanälen, Ex-vivo-Geweben und In-vivo-Schweinenieren validierten Law und das Team die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Strategie zur selektiven Embolisation.
Kollektive Schwärme
Kollektive Verhaltensweisen sind allgegenwärtig in der Natur, wo Schwärme von Fischen und Schwärme von Insekten komplexe Aufgaben erledigen kann. Bioingenieure lassen sich von der kollektiven Intelligenz natürlicher Schwärme inspirieren, um eine Vielzahl von Mikrorobotern für unterschiedliche Anwendungen zu entwickeln. In dieser Arbeit entwickelten die Forscher eine Aktivierungsstrategie zur Integration von Magnetpartikelschwärmen, um den Blutfluss innerhalb einer Zielregion für die selektive Embolisation in einem Tiermodell genau zu embolisieren. Die Arbeit lieferte tiefere Einblicke und eine Proof-of-Concept-Studie zum Verständnis des Schwarmverhaltens von Mikrorobotern unter physiologischen Bedingungen.
Schwarmintegrität während des Flusses
Das Forschungsteam erzielte eine selektive Embolisation, indem es Mikroroboterschwärme nach Bedarf erzeugte, um Blutgefäße in einer Zielregion zu blockieren. Für ihre Verteilung in den Blutkapillaren nutzten sie superparamagnetische Partikel mit kleineren Durchmessern als rote und weiße Blutkörperchen. Die Forscher beschichteten die Mikropartikel mit Thrombin, um lösliches Fibrinogen im Blut in Fibrinnetze umzuwandeln, um rote Blutkörperchen mit den Partikeln aufzunehmen.
Das Team bemerkte, wie sich die Schwärme aufgrund schwacher Wechselwirkungen zwischen den Partikeln unter Strömung aufteilten. Das Forschungsteam hielt die Integrität des Schwarms in mikrofluidischen Kanälen unter physiologisch relevanten Bedingungen aufrecht, einschließlich der Verzweigung von Blutgefäßen und des Blutflusses. Anschließend modellierten sie einen Schwarm an einer Kreuzung, um die Beziehungen zwischen dem Verzweigungswinkel, der Flussrate und der Integrität des Schwarms in Bezug auf die Magnetfeldstärke zu verstehen. Während sich Schwärme aufteilten, wenn die angelegte Magnetfeldstärke niedriger als der berechnete Wert war, behielten Schwärme ihre Integrität an einer Kreuzung bei, wenn die angelegte Magnetfeldstärke höher als der berechnete Wert war.
Selektive Aufrechterhaltung der Schwarmintegrität
Die Wissenschaftler versuchten, eine geringe Magnetfeldstärke für die selektive Embolisation zu entwickeln, um die Integrität von Schwärmen zu beeinträchtigen und eine unbeabsichtigte Blockade zu verhindern. Sie behielten eine Aktivierungsstrategie für eine nachhaltige Schwarmintegrität innerhalb einer Zielregion bei. Trotz sich ändernder Magnetfeldverteilungen behielt das Team eine hohe Magnetfeldstärke innerhalb der Zielregion bei. Schwärme, die sich außerhalb der Zielregion bildeten, trafen auf schwache Magnetfelder und konnten daher ihre Integrität nicht aufrechterhalten. Die Wissenschaftler validierten die vorgeschlagene Betätigungsstrategie durch Experimente.
Embolisation in mikrofluidischen Kanälen und Proof-of-Concept-Studien
Das Forschungsteam testete die Wirksamkeit der Verwendung von Magnetpartikelschwärmen zur Blockierung des Blutflusses und maß die Blutflussrate unter verschiedenen Bedingungen. Sie stellten die Sichtbarkeit unter optischer Mikroskopie sicher, indem sie den Schweineblutfluss in mikrofluidischen Kanälen mit 1200 Verzweigungswinkeln verdünnten. Das Team maß die Flussrate, indem es die Geschwindigkeit der roten Blutkörperchen berechnete, um die durchschnittliche Flussrate zu verstehen, die durchschnittlich 84 µm/s betrug. Die Wissenschaftler demonstrierten eine Aktivierungsstrategie zusammen mit Thrombin-beschichteten Magnetpartikeln für eine selektive Embolisation mit minimaler unbeabsichtigter Blockierung über eine Zielregion hinaus. Anschließend führten sie Ex-vivo-Proof-of-Concept-Experimente in einem Schweineblutgefäß mit Mikroroboterschwärmen durch und bildeten ein Blutgefäß mit einem Verzweigungswinkel von 30 Grad über ein Ultraschallbildgebungssystem ab. Sie injizierten zusätzlich thrombinbeschichtete Magnetpartikel mit einer Flussrate von 80 µm/s in das Blutgefäß und bemerkten einen aufgehellten Fleck an der Verbindungsstelle, der die Bildung eines Schwarms anzeigte, um die Embolisation des Blutgefäßes durch den Schwarm zu bestätigen. Nach Ex-vivo-Studien testete das Team die vorgeschlagene Strategie zur selektiven Embolisation in in vivo-Schweinenieren, um eine selektive Embolisation zu realisieren.
Ausblick
Auf diese Weise entwickelten Junhui Law und Kollegen eine Aktivierungsstrategie, um Magnetpartikelschwärme für eine selektive Embolisation zu regulieren. Die über die Betätigungsstrategie gebildeten Mikroroboterschwärme bieten eine potenzielle Lösung für die selektive Embolisation in der Klinik Komplikationen verhindern entstehen durch nicht-selektive Embolisationsmechanismen.
Junhui Law et al, Mikroroboterschwärme zur selektiven Embolisation, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm5752
Changjin Wu et al, Ionenaustausch-aktivierter synthetischer Schwarm, Natur Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038/s41565-020-00825-9
© 2022 Science X Netzwerk