Les agents microrobotiques peuvent former des essaims d’administration ciblée de médicaments pour des analyses d’imagerie améliorées. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques, Junhui Law et une équipe de chercheurs en génie mécanique et industriel, en intelligence artificielle et en génie biomédical de l’Université de Toronto et de l’Université de Shanghai, en Chine, se sont écartés du processus typique de pharmacothérapie pour faciliter l’embolisation en essaim. Le procédé est une technique médicale utilisée pour bloquer les vaisseaux sanguins lors du traitement des thromboses et des malformations artério-veineuses. Les essaims de particules magnétiques offrent une embolisation plus précise et peuvent maintenir l’intégrité de l’essaim à l’intérieur d’une région ciblée dans des conditions d’écoulement fluidique. Sur la base d’expériences dans des canaux microfluidiques, des tissus ex vivo et des reins porcins in vivo, Law et l’équipe ont validé l’efficacité de la stratégie proposée pour l’embolisation sélective.
Essaims collectifs
Les comportements collectifs sont omniprésents dans la nature, où bancs de poissons et essaims d’insectes peut effectuer des tâches complexes. Les bioingénieurs s’inspirent de l’intelligence collective des essaims naturels pour développer une variété de microrobots pour diverses applications. Dans ce travail, les chercheurs ont développé une stratégie d’actionnement pour intégrer des essaims de particules magnétiques afin d’emboliser avec précision le flux sanguin à l’intérieur d’une région ciblée pour une embolisation sélective dans un modèle animal. Les travaux ont fourni des informations plus approfondies et une étude de preuve de concept pour comprendre le comportement des essaims microrobotiques dans des conditions physiologiques.
Intégrité de l’essaim pendant l’écoulement
L’équipe de recherche a réalisé une embolisation sélective en générant des essaims microrobotiques à la demande pour bloquer les vaisseaux sanguins dans une région ciblée. Ils ont utilisé des particules super-paramagnétiques avec des diamètres plus petits que les globules rouges et blancs pour leur distribution dans les capillaires sanguins. Les chercheurs ont recouvert les microparticules de thrombine pour convertir le fibrinogène soluble dans le sang en mailles de fibrine pour contenir les globules rouges avec les particules.
L’équipe a noté comment les essaims se sont séparés sous l’écoulement en raison de faibles interactions entre les particules. L’équipe de recherche a maintenu l’intégrité de l’essaim dans les canaux microfluidiques dans des conditions physiologiquement pertinentes, y compris la ramification des vaisseaux sanguins et le flux sanguin. Ils ont ensuite modélisé un essaim à une jonction pour comprendre les relations entre l’angle de ramification, le débit et l’intégrité de l’essaim par rapport à l’intensité du champ magnétique. Alors que les essaims se sont séparés lorsque l’intensité du champ magnétique appliqué était inférieure à la valeur calculée, les essaims ont maintenu leur intégrité à une jonction lorsque l’intensité du champ magnétique appliqué était supérieure à la valeur calculée.
Maintien sélectif de l’intégrité de l’essaim
Les scientifiques ont cherché à développer une faible intensité de champ magnétique pour l’embolisation sélective afin de dégrader l’intégrité des essaims et d’empêcher un blocage involontaire. Ils ont maintenu une stratégie d’actionnement pour une intégrité soutenue de l’essaim à l’intérieur d’une région ciblée. Malgré l’évolution des distributions de champ magnétique, l’équipe a maintenu une intensité de champ magnétique élevée dans la région ciblée. Les essaims qui se sont formés à l’extérieur de la région cible ont rencontré des champs magnétiques de faible intensité et n’ont donc pas pu maintenir leur intégrité. Les scientifiques ont validé la stratégie d’actionnement proposée via des expériences.
Embolisation dans les canaux microfluidiques et études de preuve de concept
L’équipe de recherche a testé l’efficacité de l’utilisation d’essaims de particules magnétiques pour bloquer le flux sanguin et a mesuré le débit sanguin dans différentes conditions. Ils ont assuré la visibilité sous microscopie optique en diluant le flux sanguin porcin dans des canaux microfluidiques avec 1200 angles de ramification. L’équipe a mesuré le débit en calculant la vitesse des globules rouges pour comprendre le débit moyen, qui s’élevait en moyenne à 84 µm/s. Les scientifiques ont démontré une stratégie d’actionnement avec des particules magnétiques recouvertes de thrombine pour une embolisation sélective avec un blocage involontaire minimal au-delà d’une région cible. Ils ont ensuite mené des expériences de preuve de concept dans un vaisseau sanguin porcin ex vivo à l’aide d’essaims microrobotiques et ont imagé un vaisseau sanguin avec un angle de ramification de 30 degrés via un système d’imagerie par ultrasons. Ils ont en outre injecté des particules magnétiques recouvertes de thrombine dans le vaisseau sanguin à un débit de 80 µm/s et ont noté une tache éclaircie à la jonction indiquant la formation d’un essaim pour confirmer l’embolisation du vaisseau sanguin via l’essaim. Après des études ex vivo, l’équipe a testé la stratégie proposée pour l’embolisation sélective dans des reins porcins in vivo afin de réaliser une embolisation sélective.
Perspectives
De cette façon, Junhui Law et ses collègues ont développé une stratégie d’actionnement pour réguler les essaims de particules magnétiques pour une embolisation sélective. Les essaims microrobotiques formés via la stratégie d’actionnement fournissent une solution potentielle pour l’embolisation sélective en clinique pour prévenir les complications résultant de mécanismes d’embolisation non sélectifs.
Junhui Law et al, essaims microrobotiques pour l’embolisation sélective, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm5752
Changjin Wu et al, essaim synthétique activé par échange d’ions, Nanotechnologie de la nature (2021). DOI : 10.1038/s41565-020-00825-9
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