Mantenimento dell'integrità dello sciame alle giunzioni mirate. (A) Schemi che illustrano l'uso di sciami di particelle magnetiche per bloccare le giunzioni all'interno di una regione mirata. (B) Analisi schematica delle forze esercitate sulle particelle di punta. I cerchi marroni indicano particelle magnetiche. I cerchi neri tratteggiati indicano le particelle di punta. Le forze di interazione magnetica e la loro risultante forza di interazione sono indicate rispettivamente da sottili frecce blu e una spessa freccia blu. La forza di resistenza fluidica e la forza di reazione sono indicate da spesse frecce rosse. γ è l'angolo di ramificazione della giunzione. θ è l'angolo tra la forza di interazione magnetica e l'asse x. Le configurazioni delle particelle alle giunzioni con diversi angoli di ramificazione sono mostrate nei riquadri verdi. Le regioni viola rappresentano le pareti delle giunzioni. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Gli agenti microbici possono formare sciami di somministrazione mirata di farmaci per analisi di imaging migliorate. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Junhui Law e un team di ricercatori in ingegneria meccanica e industriale, intelligenza artificiale e ingegneria biomedica presso l'Università di Toronto e l'Università di Shanghai, in Cina, hanno deviato dal processo tipico della terapia farmacologica per facilitare l'embolizzazione dello sciame. Il processo è una tecnica medica utilizzata per bloccare i vasi sanguigni durante il trattamento di trombosi e malformazioni artero-venose. Gli sciami di particelle magnetiche offrono un'embolizzazione più precisa e possono mantenere l'integrità dello sciame all'interno di una regione mirata in condizioni di flusso fluidico. Sulla base di esperimenti in canali microfluidici, tessuti ex vivo e reni suini in vivo, Law e il team hanno convalidato l'efficacia della strategia proposta per l'embolizzazione selettiva.
Sciami collettivi
I comportamenti collettivi sono onnipresenti in natura, dove banchi di pesci e sciami di insetti possono svolgere compiti complessi. I bioingegneri sono ispirati dall'intelligenza collettiva negli sciami naturali per sviluppare una varietà di microrobot per diverse applicazioni. In questo lavoro, i ricercatori hanno sviluppato una strategia di attuazione per integrare gli sciami di particelle magnetiche per embolizzare accuratamente il flusso sanguigno all'interno di una regione mirata per l'embolizzazione selettiva in un modello animale. Il lavoro ha fornito informazioni più approfondite e uno studio proof-of-concept per comprendere il comportamento degli sciami micro-robotici in condizioni fisiologiche.
Integrità dello sciame durante il flusso
Il team di ricerca ha ottenuto l'embolizzazione selettiva generando su richiesta sciami di microrobotici per bloccare i vasi sanguigni all'interno di una regione mirata. Hanno usato particelle superparamagnetiche con diametri più piccoli dei globuli rossi e bianchi per la loro distribuzione nei capillari sanguigni. I ricercatori hanno rivestito le microparticelle di trombina per convertire il fibrinogeno solubile nel sangue in reti di fibrina per contenere i globuli rossi con le particelle.
Il team ha notato come gli sciami si siano divisi durante il flusso a causa delle deboli interazioni tra le particelle. Il team di ricerca ha sostenuto l'integrità dello sciame all'interno dei canali microfluidici in condizioni fisiologicamente rilevanti, tra cui la ramificazione dei vasi sanguigni e il flusso sanguigno. Hanno quindi modellato uno sciame in corrispondenza di una giunzione per comprendere le relazioni tra l'angolo di ramificazione, la portata e l'integrità dello sciame rispetto all'intensità del campo magnetico. Mentre gli sciami si dividevano quando l'intensità del campo magnetico applicato era inferiore al valore calcolato, gli sciami mantenevano la loro integrità in corrispondenza di una giunzione quando l'intensità del campo magnetico applicato era superiore al valore calcolato.
Convalide sperimentali per il modello. (A e B) La relazione tra l'intensità del campo magnetico critico Bcritico e la portata alle giunzioni con diversi angoli di ramificazione γ nel sangue intero suino e nel PBS, rispettivamente. (C e D) L'integrità degli sciami quando l'intensità del campo magnetico applicato era rispettivamente inferiore e superiore a Bcritico. Barra della scala, 20 μm. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Gli scienziati hanno cercato di sviluppare una bassa intensità del campo magnetico per l'embolizzazione selettiva per degradare l'integrità degli sciami e prevenire il blocco involontario. Hanno mantenuto una strategia di attuazione per l'integrità sostenuta dello sciame all'interno di una regione mirata. Nonostante il cambiamento delle distribuzioni del campo magnetico, il team ha mantenuto un'elevata intensità del campo magnetico all'interno della regione presa di mira. Gli sciami che si sono formati al di fuori della regione bersaglio hanno incontrato campi magnetici a bassa intensità e non sono stati quindi in grado di mantenere la loro integrità. Gli scienziati hanno convalidato la strategia di attuazione proposta tramite esperimenti.
Embolizzazione nei canali microfluidici e studi di proof-of-concept
Il team di ricerca ha testato l'efficacia dell'utilizzo di sciami di particelle magnetiche per bloccare il flusso sanguigno e ha misurato la velocità del flusso sanguigno in diverse condizioni. Hanno garantito la visibilità al microscopio ottico diluendo il flusso sanguigno suino nei canali microfluidici con 120 0 angoli di ramificazione. Il team ha misurato la portata calcolando la velocità dei globuli rossi per comprendere la portata media, che ammontava in media a 84 µm/s. Gli scienziati hanno dimostrato una strategia di attuazione insieme a particelle magnetiche rivestite di trombina per l'embolizzazione selettiva con un blocco non intenzionale minimo oltre una regione bersaglio. Hanno quindi condotto esperimenti di prova del concetto in un vaso sanguigno suino ex vivo utilizzando sciami di microrobotici e hanno ripreso un vaso sanguigno con un angolo di ramificazione di 30 gradi tramite un sistema di imaging a ultrasuoni. Hanno inoltre iniettato particelle magnetiche rivestite di trombina nel vaso sanguigno a una velocità di flusso di 80 µm/s e hanno notato un punto illuminato alla giunzione che indicava la formazione di uno sciame per confermare l'embolizzazione del vaso sanguigno attraverso lo sciame. Dopo studi ex vivo, il team ha testato la strategia proposta per l'embolizzazione selettiva nei reni suini in vivo per realizzare l'embolizzazione selettiva.
Strategia di attuazione per il mantenimento selettivo dell'integrità dello sciame e validazione sperimentale. (A) Illustrazione schematica della strategia di attuazione proposta. I cerchi neri indicano la regione di destinazione. Le bobine marrone e bianca sono rispettivamente le bobine dominanti e ausiliarie. Le linee nere separano l'area di lavoro in regioni con l'intensità del campo magnetico maggiore e minore rispetto a Bcritical. La punta di freccia nera indica la direzione del flusso. (B) Illustrazione schematica delle regioni mirate e non mirate descritte nella ricerca a forza bruta. Il cerchio nero indica la regione di destinazione. Il raggio rQ e la posizione centrale PQ della regione target sono etichettati. Le sottoregioni non targetizzate U1, U2, U3 e U4 sono evidenziate con colori diversi. (C) Tasso di successo sperimentale della strategia proposta nel mantenimento dell'integrità dello sciame in tre casi. I dati sperimentali in ogni quadratino sono stati misurati da canali microfluidici indipendenti e quattro esperimenti sono stati ripetuti per determinare la percentuale di successo. I cerchi neri indicano le regioni target. (D) Distribuzione spaziale sperimentale delle località con una percentuale di successo del 75% e oltre in tre casi. Il riquadro sinistro mostra una giunzione vuota che indica che gli sciami sono stati divisi e il riquadro destro mostra uno sciame mantenuto con successo in corrispondenza di una giunzione. I cerchi neri indicano le regioni target. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolizzazione nei canali microfluidici. (A) Diverse condizioni per ridurre la velocità del flusso sanguigno. Le portate sono state misurate quando le condizioni sono state mantenute attivate per 10 min. Le barre di errore rappresentano la SD di 10 prove. I parlamentari denotano particelle magnetiche. (B) Immagine al microscopio elettronico a scansione di uno sciame di coagulazione. Per la visualizzazione, i globuli rossi suini, le maglie di fibrina e le particelle magnetiche sono state colorate artificialmente rispettivamente in rosso, verde e blu. Barra della scala, 2 μm. (C) Risultati sperimentali di embolizzazione in microcanali utilizzando particelle magnetiche rivestite di trombina. Barra della scala, 20 μm. (D) La portata in ingresso del sangue suino diluito nei canali microfluidici (portata media:83 μm/s). (E) Portata misurata sperimentalmente nei canali microfluidici in diverse condizioni di embolizzazione. Le portate sono state misurate quando le condizioni sono state mantenute attivate per 10 min. Per (D) ed (E), i dati in ogni quadratino sono stati misurati da canali microfluidici indipendenti e sono stati condotti tre esperimenti per ottenere una portata media. I cerchi neri indicano la regione di destinazione. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolizzazione negli organi suini. (A) Formazione di uno sciame di coagulazione all'incrocio di un vaso sanguigno suino ex vivo. Le linee tratteggiate rosse delineano il vaso sanguigno e la giunzione, e la linea tratteggiata gialla delinea lo sciame di coagulazione. La freccia verde mostra la direzione del flusso delle microbolle. Barra della scala, 10 mm. (B) Schema che illustra il sito di iniezione di un omento suino ex vivo negli esperimenti. Le frecce nere indicano la direzione del flusso. (C) Embolizzazione selettiva nella rete dei vasi sanguigni di un omento suino ex vivo con la regione mirata centrata a (5 mm, -5 mm). I cerchi neri indicano la regione target, le frecce rosse indicano la direzione del flusso sanguigno e le frecce blu indicano la direzione del flusso del colorante blu. (D) Immagine di microscopia ottica che mostra uno sciame formato alla giunzione mirata di un omento suino ex vivo. Le linee tratteggiate rosse delineano il vaso sanguigno e la giunzione, e le linee tratteggiate gialle delineano lo sciame di particelle magnetiche. Barra della scala, 200 μm. (E) Risultati dell'angiografia a sottrazione digitale di reni suini in vivo in diverse condizioni di embolizzazione. I cerchi tratteggiati arancioni indicano le regioni target. Barra della scala, 50 mm. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Prospettiva
In questo modo, Junhui Law e colleghi hanno sviluppato una strategia di attuazione per regolare gli sciami di particelle magnetiche per l'embolizzazione selettiva. Gli sciami microrobotici formati tramite la strategia di attuazione forniscono una potenziale soluzione per l'embolizzazione selettiva in clinica per prevenire complicazioni derivanti da meccanismi di embolizzazione non selettivi. + Esplora ulteriormente
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