Propulsione con rottura spontanea della simmetria di microparticelle magnetiche rivestite chimicamente

Sep 23, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17646 (2022) Citare questo articolo

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Le micro/nanoparticelle rivestite chimicamente vengono spesso utilizzate in medicina per migliorare la somministrazione dei farmaci e aumentarne l'assorbimento in aree specifiche del corpo. Utilizzando un meccanismo di propulsione che rompe la simmetria spontanea scoperto di recente, dimostriamo che le microparticelle rivestite chimicamente possono nuotare attraverso la soluzione di muco con una navigazione precisa e che alcune funzionalizzazioni possono modificare dinamicamente il comportamento di propulsione. Per questa indagine la biotina, la bitotina-PEG3-ammina e la biotina chitosano sono stati funzionalizzati chimicamente sulle superfici di microparticelle magnetiche utilizzando un complesso avidina-biotina. Queste sostanze chimiche sono state scelte perché sono utilizzate in modo prolifico nelle applicazioni di somministrazione di farmaci, con PEG e chitosano che hanno effetti mucoadesivi ben noti. Le microparticelle rivestite sono state quindi sospese nel muco sintetizzato dalle mucine dello stomaco suino e spinte utilizzando campi magnetici rotanti. La relazione tra diversi rivestimenti chimici, velocità delle microparticelle e controllabilità è stata esplorata e discussa approfonditamente. I risultati indicano che i rivestimenti superficiali biotinilati hanno alterato il comportamento di propulsione delle microparticelle, con differenze di prestazioni legate sia alle proprietà del campo magnetico che alle proprietà del muco localizzato. Si prevede che microparticelle che trasportano farmaci controllate con precisione contribuiscano a sostituire i metodi tradizionali di somministrazione dei farmaci e a migliorare le tecniche mediche esistenti che utilizzano micro/nanoparticelle.

La tecnologia microrobotica ha un enorme potenziale per creare un cambiamento di paradigma nel trattamento medico, consentendo la somministrazione mirata di farmaci, la chirurgia minimamente invasiva e il miglioramento del contrasto per l’imaging medico. Applicazioni specifiche includono la conservazione di terapie rare attraverso la somministrazione precisa, il disostruzione delle arterie e la chirurgia cerebrale. Per aggirare la fisica del basso numero di Reynolds1, sono stati sviluppati una varietà di microrobot per produrre movimento non reciproco, inclusi microrobot basati su elica che sfruttano la geometria chirale per la propulsione2 e microrobot flessibili che deformano i loro corpi per creare movimento traslazionale3,4. Inoltre, le particelle Janus sono state sviluppate per la spinta attraverso fluidi sfusi utilizzando la decomposizione chimica5 e gradienti termici autogenerati6,7. Questi metodi di propulsione sono efficaci e necessari a livello situazionale, ma comportano un costo in termini di complessità e spesso richiedono costose fasi di fabbricazione8. Sebbene la somministrazione di farmaci tramite queste piattaforme sia stata studiata9,10,11, ci sarebbero enormi vantaggi nel convertire le micro/nanoparticelle esistenti già utilizzate nei trattamenti medici in microrobot completamente navigabili. Oltre a contribuire allo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati, un simile progresso rafforzerebbe la ricerca esistente sulle applicazioni delle micro/nanoparticelle, come la somministrazione di farmaci12, l'ipotermia13 e la risonanza magnetica14.

A sostegno di questo sforzo, è stato recentemente scoperto che la propulsione spontanea che rompe la simmetria si verifica in fluidi simili a quelli non newtoniani per l'arrampicata su asta, consentendo alle microparticelle magnetiche simmetriche di spingersi lungo il loro asse di rotazione utilizzando un effetto di compressione derivante dalle differenze di stress normale del primo e del secondo fluido15. Prima di questo studio, gli oggetti più semplici documentati per ottenere la propulsione in fluidi non newtoniani erano nuotatori con manubri e capesante stampate in 3D16,17. Sebbene la rottura spontanea della simmetria sia attualmente limitata a un sottoinsieme di fluidi non newtoniani con proprietà simili a quelle di arrampicarsi sui bastoncini, è stato dimostrato che questi effetti si verificano all'interno dei fluidi mucosi sintetizzati dalla mucina suina biologica15. Data la complessità e le interazioni fisico-chimiche che le mucine possono avere nella somministrazione di farmaci, è necessaria un'indagine di follow-up su come la funzionalizzazione chimica della superficie influisce sulla propulsione che rompe la simmetria spontanea.

L'indagine originale era limitata alle microparticelle rivestite con una funzionalizzazione chimica della streptavidina (avidina)5. È noto che l'avidina interagisce con la biotina e crea uno dei legami non covalenti più forti presenti in natura18, rendendola altamente desiderabile nelle applicazioni mediche e nanotecnologiche19. Per questi motivi, molti composti farmaceutici hanno spesso gruppi funzionali di biotina che consentono loro di legarsi a micro/nanoparticelle o ad altri veicoli di rilascio rivestiti con avidina. I comuni trattamenti farmacologici nel tratto gastrointestinale si basano spesso su composti mucoadesivi, sia per aumentare l'assorbimento del carico utile del farmaco sia per garantire la corretta localizzazione delle nanoparticelle che trasportano il farmaco20. Ciò porta a chiedersi se le microparticelle rivestite chimicamente che nuotano sotto la rottura spontanea della simmetria possano (1) nuotare efficacemente all'interno dei fluidi mucosi e (2) quali differenze di velocità o interazioni si verificano tra i diversi rivestimenti. Essere in grado di navigare tra le microparticelle in modo rapido ed efficace sarebbe fondamentale per trasferirle in applicazioni di utilizzo nel mondo reale in cui la velocità nelle procedure di distribuzione dei farmaci sarebbe fondamentale per il recupero del paziente. A differenza delle micro/nanoparticelle passive esaminate in precedenza, le microparticelle propulsive saranno in grado di raggiungere con precisione le posizioni target e penetrare attraverso fluidi complessi e ambienti tissutali, senza fare affidamento esclusivamente sulle proprietà di diffusione.