Nanopartiklar har tillämpningar som terapeutiska medel för ledsjukdomar såsom artros. Men rollen av nanopartikeldiffusion i ledvätska eller vätskan inuti leden är ofullständigt förstått. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Mythreyi Unni och ett forskarteam inom kemiteknik och biomedicinsk teknik i USA använde Stokes-Einstein-relationen för att beskriva rotations- och translationsdiffusionen av polymerbelagda nanopartiklar i vilande synovialvätska och hyaluronsyralösningar. Resultaten gav insikt i det diffusiva beteendet hos polymerbelagda oorganiska nanopartiklar i komplexa aggregat av biologiska miljöer som vanligtvis finns i leden.

Nanopartiklar i labbet

Nanopartiklar är terapeutiska och diagnostiska medel och forskare försöker förstå deras diffusion i biologiska vätskor – nyckeln till kliniska tillämpningar. Partiklarna kan konstrueras för att övervaka och behandla artros, även om deras roller för diffusion i ledvätskor återstår att förstå. I det här arbetet, Unni et al. studerat translationell och rotationsdiffusion av kolloidal, stabila och neutrala nanopartiklar i bovin ledvätska och i hyaluronsyralösningar, varav den senare utgör en huvudkomponent av ledvätska i leden. Partiklar kan överföras i en vätska genom konvektion och diffusion baserat på slumpmässiga termiska fluktuationer beskrivna genom deras translationella och roterande diffusivitet som en funktion av partikel- och vätskeegenskaper. Dock, avvikelser från Stokes-Einstein-relationerna har förekommit i sådana nanopartiklar i lösning. Nanopartikeldiffusion i biologiska och polyelektrolytlösningar saknas därför och denna information kan utgöra en viktig guide för att designa nanopartiklar för biomedicinska tillämpningar, inklusive terapi och diagnos av ledsjukdom. Unni et al. använde röntgenfotonkorrelationsspektroskopimätningar och dynamiska magnetiska känslighetsmätningar och under experimenten, de säkerställde den kolloidala stabiliteten hos nanopartiklar genom att belägga dem med polyetylenglykol. Resultaten av studien gav insikt i beteendet hos polymerbelagda nanopartiklar i biologiska miljöer.

Unni et al. använde polymerbelagda koboltferritnanopartiklar av olika hydrodynamiska storlekar under studien. Nanopartiklarna bibehöll en oorganisk kärndiameter och en hydrodynamisk diameter, som laget mätte med hjälp av transmissionselektronmikroskopi. Forskarna använde flash-nanoprecipitation för att förbereda större sammansatta nanopartiklar och studerade deras rotationsdiffusion i bovin ledvätska med reologiska karakteriseringsstudier. Med hjälp av småvinklar röntgenspridningsmätningar, de utvärderade strukturen och aggregationstillståndet för nanopartiklarna i ledvätskan. Unni et al. studerade sedan nanopartiklarna i ledvätskan med hjälp av röntgenfotonkorrelationsspektroskopi, vilket föreslog Brownsk diffusion av partiklarna. När de utsatte materialen för alternerande magnetfält, de svarade med fysisk partikelrotation, känd som Brownsk avslappning, som följde Debye-modellen. Dynamiska magnetiska känslighetsmätningar av de belagda nanopartiklarna i ledvätska visade hur större substrat var mer avsevärt begränsade i vätskan. Teamet studerade därefter diffusionen av nanopartiklar i hyaluronsyralösningar - huvudkomponenten i ledvätska.

Diffusion av nanopartiklar i hyaluronsyralösningar

Teamet använde vidare hyaluronsyra och karakteriserade dem med reometri och noterade uppenbart Newtonskt beteende för lösningar med koncentrationer under 1 mg/ml. Teamet genomförde sedan småvinklar spridningsröntgenspektroskopi för att studera strukturen och aggregationstillståndet för nanopartiklar i hyaluronsyralösningar och i vatten. Medan de sammansatta nanopartiklarna förblev intakta i vatten, teamet noterade bredare polydispersitet för nanopartiklar i hyaluronlösningar. Viskositeten i nanoskala var skild från den makroskopiska lågskjuvningsviskositeten bestämd från reometri. Rotationsdiffusionskoefficienterna skilde sig också för de två typerna av nanopartiklar, där värdena för de mindre nanopartiklarna var mindre än för de större kompositpartiklarna. Baserat på nanopartiklarnas beteende, teamet antog att den omgivande mediumviskositeten var mycket större än lösningsmedlets viskositet, som överensstämde med Albert Einsteins undersökningar om teorin om Brownsk rörelse. Dock, år 1942, fysikern Maurice L. Huggins modifierade Einsteins modell för att beskriva viskositeten hos polymera lösningar, och hypotesen som presenteras i detta arbete av Unni et al. överens om den modifierade modellen.

Syn

På det här sättet, Mythreyi Unni och kollegor presenterade ett reduktionistiskt tillvägagångssätt för att förstå transporten av nanopartiklar i en trång och begränsad led, genom att studera diffusionen av nanopartiklar i ledvätska och i hyaluronsyralösningar som vanligtvis utgör ledvätska. Vätskans sammansättning och reologiska egenskaper kan variera med ålder och sjukdom för att påverka nanopartikeldiffusion. Ytterligare studier med nanopartiklar av ett bredare storleksintervall och beläggningar bör användas för att bedöma transporten av nanopartiklar i poröst brosk och flerskikts synovium. Teamet beskrev diffusionskoefficienten för de polymerbelagda nanopartiklarna med Stokes-Einstein-förhållandet och följde detta med beskrivningar av mediets viskositet med hjälp av en modell utvecklad av Huggins. Arbetet visade hur det diffusiva beteendet hos polymerbelagda nanopartiklar i biologisk vätska och deras beståndsdelar kan styra nanopartikeldesigner inom biomedicin.

© 2021 Science X Network