Le nanoparticelle hanno applicazioni come agenti terapeutici per malattie articolari come l'artrosi. Ma il ruolo della diffusione delle nanoparticelle nel liquido sinoviale o nel fluido all'interno dell'articolazione non è completamente compreso. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Mythreyi Unni e un team di ricerca in ingegneria chimica e ingegneria biomedica negli Stati Uniti hanno utilizzato la relazione Stokes-Einstein per descrivere la diffusione rotazionale e traslazionale di nanoparticelle rivestite di polimero in soluzioni di liquido sinoviale quiescente e acido ialuronico. I risultati hanno fornito informazioni sul comportamento diffusivo delle nanoparticelle inorganiche rivestite di polimeri in complessi aggregati di ambienti biologici che sono tipicamente presenti nell'articolazione.

Nanoparticelle in laboratorio

Le nanoparticelle sono agenti terapeutici e diagnostici e i ricercatori cercano di capire la loro diffusione nei fluidi biologici, chiave per le applicazioni cliniche. Le particelle possono essere progettate per monitorare e trattare l'osteoartrite, anche se i loro ruoli di diffusione nei liquidi sinoviali restano da capire. In questo lavoro, Unni et al. studiato la diffusione traslazionale e rotazionale del colloidale, nanoparticelle stabili e neutre nel liquido sinoviale bovino e nelle soluzioni di acido ialuronico, quest'ultimo dei quali costituisce un componente importante del liquido sinoviale nell'articolazione. Le particelle possono trasferirsi in un fluido per convezione e diffusione in base a fluttuazioni termiche casuali descritte attraverso la loro diffusività traslazionale e rotazionale in funzione delle proprietà delle particelle e del fluido. Però, deviazioni dalle relazioni Stokes-Einstein si sono verificate in tali nanoparticelle in soluzione. Manca quindi la diffusione di nanoparticelle in soluzioni biologiche e polielettrolitiche e queste informazioni possono costituire una guida essenziale per progettare nanoparticelle per applicazioni biomediche, compresa la terapia e la diagnosi della malattia articolare. Unni et al. utilizzato misurazioni spettroscopiche di correlazione fotonica a raggi X e misurazioni di suscettività magnetica dinamica e durante gli esperimenti, hanno assicurato la stabilità colloidale delle nanoparticelle rivestendole con glicole polietilenico. I risultati dello studio hanno fornito informazioni sul comportamento delle nanoparticelle rivestite di polimeri negli ambienti biologici.

Unni et al. utilizzato nanoparticelle di ferrite di cobalto rivestite di polimero di diverse dimensioni idrodinamiche durante lo studio. Le nanoparticelle hanno mantenuto un diametro del nucleo inorganico e un diametro idrodinamico, che il team ha misurato utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. I ricercatori hanno utilizzato la nanoprecipitazione flash per preparare nanoparticelle composite più grandi e hanno studiato le loro diffusività rotazionali nel liquido sinoviale bovino con studi di caratterizzazione reologica. Utilizzando misurazioni di dispersione dei raggi X a piccolo angolo, hanno valutato la struttura e lo stato di aggregazione delle nanoparticelle nel liquido sinoviale. Unni et al. quindi studiato le nanoparticelle nel liquido sinoviale utilizzando la spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X, che suggeriva la diffusione browniana delle particelle. Quando sottoponevano i materiali a campi magnetici alternati, hanno risposto con la rotazione delle particelle fisiche, noto come rilassamento browniano, che ha seguito il modello Debye. Le misurazioni della suscettibilità magnetica dinamica delle nanoparticelle rivestite nel liquido sinoviale hanno mostrato come substrati più grandi fossero più sostanzialmente limitati nel fluido. Il team ha poi studiato la diffusione delle nanoparticelle nelle soluzioni di acido ialuronico, il componente principale del liquido sinoviale.

Diffusione di nanoparticelle in soluzioni di acido ialuronico

Il team ha inoltre utilizzato l'acido ialuronico e li ha caratterizzati utilizzando la reometria e ha notato un apparente comportamento newtoniano per soluzioni con concentrazioni inferiori a 1 mg/mL. Il team ha quindi condotto misurazioni di spettroscopia a raggi X con dispersione a piccolo angolo per studiare la struttura e lo stato di aggregazione delle nanoparticelle nelle soluzioni di acido ialuronico e nell'acqua. Mentre le nanoparticelle composite sono rimaste intatte nell'acqua, il team ha notato una polidispersione più ampia per le nanoparticelle nelle soluzioni ialuroniche. La viscosità su scala nanometrica era distinta dalla viscosità macroscopica a basso taglio determinata dalla reometria. I coefficienti di diffusione rotazionale differivano anche per i due tipi di nanoparticelle, dove i valori per le nanoparticelle più piccole erano inferiori a quelli per le particelle composite più grandi. In base al comportamento delle nanoparticelle, il team ha ipotizzato che la viscosità media circostante fosse molto più grande della viscosità del solvente, che si allineava con le indagini di Albert Einstein sulla teoria del moto browniano. Però, nel 1942, il fisico Maurice L. Huggins modificò il modello di Einstein per descrivere la viscosità delle soluzioni polimeriche, e l'ipotesi presentata in questo lavoro da Unni et al. concordato con il modello modificato.

Veduta

In questo modo, Mythreyi Unni e colleghi hanno presentato un approccio riduzionista per comprendere il trasporto di nanoparticelle in un giunto affollato e confinato, studiando la diffusione delle nanoparticelle nel liquido sinoviale e nelle soluzioni di acido ialuronico che tipicamente costituiscono il liquido articolare. La composizione e le proprietà reologiche del fluido possono variare con l'età e la malattia per influenzare la diffusione delle nanoparticelle. Ulteriori studi con nanoparticelle di un intervallo di dimensioni più ampio e rivestimenti dovrebbero essere utilizzati per valutare il trasporto di nanoparticelle nella cartilagine porosa e nella sinovia multistrato. Il team ha descritto il coefficiente di diffusione delle nanoparticelle rivestite di polimero utilizzando la relazione Stokes-Einstein e lo ha seguito con le descrizioni della viscosità del mezzo utilizzando un modello sviluppato da Huggins. Il lavoro ha mostrato come il comportamento diffusivo delle nanoparticelle rivestite di polimeri nel fluido biologico e nei loro costituenti può guidare la progettazione di nanoparticelle in biomedicina.

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