Underhåll av svärmintegritet vid riktade korsningar. (A) Schema som illustrerar användningen av magnetiska partikelsvärmar för att blockera korsningarna inuti ett målområde. (B) Schematisk analys av de krafter som utövas på spetspartiklar. De bruna cirklarna indikerar magnetiska partiklar. De svarta streckade cirklarna anger spetspartiklarna. De magnetiska växelverkanskrafterna och deras resulterande växelverkanskraft indikeras med tunna blå pilar respektive en tjock blå pil. Den flytande dragkraften och reaktionskraften indikeras med tjocka röda pilar. γ är förgreningsvinkeln för korsningen. θ är vinkeln mellan den magnetiska interaktionskraften och x-axeln. Konfigurationerna av partiklar vid korsningar med olika förgreningsvinklar visas i de gröna rutorna. Lila regioner representerar korsningarnas väggar. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Mikrorobotmedel kan bilda svärmar av riktad läkemedelsleverans för förbättrade bildanalyser. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Junhui Law och ett team av forskare inom maskin- och industriteknik, artificiell intelligens och biomedicinsk teknik vid University of Toronto och Shanghai University, Kina, avvek från den typiska processen för läkemedelsbehandling för att underlätta svärmembolisering. Processen är en medicinsk teknik som används för att blockera blodkärl under behandling för trombos och arteriovenösa missbildningar. Magnetiska partikelsvärmar erbjuder mer exakt embolisering och kan bibehålla svärmintegritet inuti ett målområde under fluidiska flödesförhållanden. Baserat på experiment i mikrofluidkanaler, ex vivo vävnader och in vivo svinnjurar, validerade Law och teamet effekten av den föreslagna strategin för selektiv embolisering.
Kollektiva svärmar
Kollektiva beteenden är allmänt förekommande i naturen, där fiskstim och svärmar av insekter kan utföra komplexa uppgifter. Bioingenjörer inspireras av den kollektiva intelligensen i naturliga svärmar för att utveckla en mängd olika mikrorobotar för olika applikationer. I detta arbete utvecklade forskarna en aktiveringsstrategi för att integrera magnetiska partikelsvärmar för att korrekt embolisera blodflödet inuti ett målområde för selektiv embolisering i en djurmodell. Arbetet gav djupare insikt och en proof-of-concept-studie för att förstå mikrorobotars svärmbeteende under fysiologiska förhållanden.
Svärmintegritet under flöde
Forskargruppen uppnådde selektiv embolisering genom att generera mikrorobotiska svärmar på begäran för att blockera blodkärl inom en målregion. De använde superparamagnetiska partiklar med diametrar mindre än röda och vita blodkroppar för deras distribution i blodkapillärer. Forskarna täckte mikropartiklarna i trombin för att omvandla lösligt fibrinogen i blod till fibrinnät för att innehålla röda blodkroppar med partiklarna.
Teamet noterade hur svärmarna splittrades under flöde på grund av svag interaktion mellan partiklarna. Forskargruppen upprätthöll svärmintegritet inom mikrofluidkanaler under fysiologiskt relevanta förhållanden, inklusive blodkärlsförgrening och blodflöde. De modellerade sedan en svärm vid en korsning för att förstå sambanden mellan förgreningsvinkeln, flödeshastigheten och svärmintegriteten i förhållande till magnetfältets styrka. Medan svärmar splittrades när den applicerade magnetiska fältstyrkan var lägre än det beräknade värdet, bibehöll svärmar sin integritet vid en korsning när den applicerade magnetiska fältstyrkan var högre än det beräknade värdet.
Experimentella valideringar för modellen. (A och B) Sambandet mellan kritisk magnetisk fältstyrka Bkritisk och flödeshastighet vid korsningar med olika förgreningsvinklar γ i helblod från gris respektive PBS. (C och D) Integriteten hos svärmar när den applicerade magnetiska fältstyrkan var lägre respektive högre än Bkritisk. Skalstång, 20 μm. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Forskarna försökte utveckla låg magnetfältstyrka för selektiv embolisering för att försämra integriteten hos svärmar och förhindra oavsiktlig blockering. De upprätthöll en aktiveringsstrategi för bibehållen svärmintegritet i en riktad region. Trots förändrade magnetfältsfördelningar bibehöll teamet hög magnetfältstyrka inom målområdet. Svärmar som bildades utanför målområdet mötte lågstyrka magnetfält och kunde därför inte behålla sin integritet. Forskarna validerade den föreslagna aktiveringsstrategin via experiment.
Embolisering i mikrofluidkanaler och proof-of-concept-studier
Forskargruppen testade effektiviteten av att använda magnetiska partikelsvärmar för att blockera blodflödet och mätte blodflödet under olika förhållanden. De säkerställde synlighet under optisk mikroskopi genom att späda svinblodflödet i mikrofluidkanaler med 120 0 grenvinklar. Teamet mätte flödeshastigheten genom att beräkna hastigheten på de röda blodkropparna för att förstå den genomsnittliga flödeshastigheten, som uppgick till i genomsnitt 84 µm/s. Forskarna visade en aktiveringsstrategi tillsammans med trombinbelagda magnetiska partiklar för selektiv embolisering med minimal oavsiktlig blockering bortom ett målområde. De genomförde sedan proof-of-concept-experiment i ett svinblodkärl ex vivo med hjälp av mikrorobotiska svärmar och avbildade ett blodkärl med en förgreningsvinkel på 30 grader via ett ultraljudsbildsystem. De injicerade dessutom trombinbelagda magnetiska partiklar i blodkärlet med en flödeshastighet av 80 µm/s och noterade en ljusare fläck vid korsningen som indikerade bildandet av en svärm för att bekräfta emboliseringen av blodkärlet via svärmen. Efter ex vivo-studier testade teamet den föreslagna strategin för selektiv embolisering i in vivo svinnjurar för att förverkliga selektiv embolisering.
Aktiveringsstrategi för selektivt underhåll av svärmintegritet och experimentell validering. (A) Schematisk illustration av den föreslagna aktiveringsstrategin. De svarta cirklarna indikerar målområdet. De bruna och vita spolarna är de dominerande respektive hjälpspolarna. De svarta linjerna separerar arbetsytan i regioner med magnetfältstyrkorna högre och lägre än Bcritical. Den svarta pilspetsen anger flödesriktningen. (B) Schematisk illustration av de riktade och icke-inriktade regionerna som beskrivs i brute-force-sökningen. Den svarta cirkeln indikerar målområdet. Radien rQ och mittpositionen PQ för målområdet är märkta. De icke-inriktade underregionerna U1, U2, U3 och U4 är markerade med olika färger. (C) Experimentell framgångsfrekvens för den föreslagna strategin för att upprätthålla svärmens integritet i tre fall. Experimentdata i varje liten kvadrat mättes från oberoende mikrofluidkanaler, och fyra experiment upprepades för att bestämma framgångsfrekvensen. De svarta cirklarna indikerar målområdena. (D) Experimentell rumslig fördelning av platser med en framgångsfrekvens på 75 % och över i tre fall. Den vänstra insättningen visar en tom korsning som indikerar att svärmar delades, och den högra insättningen visar en svärm som framgångsrikt upprätthålls vid en korsning. De svarta cirklarna indikerar målområdena. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolisering i mikrofluidkanaler. (A) Olika villkor för att minska blodflödet. Flödeshastigheterna mättes när förhållandena hölls aktiverade under 10 min. Felstaplarna representerar SD för 10 försök. MPs betecknar magnetiska partiklar. (B) Scanning elektronmikroskopi bild av en koagulering svärm. För visualisering färgades röda blodkroppar från svin, fibrinnät och magnetiska partiklar artificiellt i rött, grönt respektive blått. Skalstång, 2 μm. (C) Experimentella resultat av embolisering i mikrokanaler med trombinbelagda magnetiska partiklar. Skalstång, 20 μm. (D) Inflödeshastigheten för utspätt svinblod i mikrofluidkanalerna (genomsnittlig flödeshastighet:83 μm/s). (E) Experimentellt uppmätt flödeshastighet i mikrofluidkanalerna under olika emboliseringsförhållanden. Flödeshastigheterna mättes när förhållandena hölls aktiverade under 10 min. För (D) och (E) mättes data i varje liten kvadrat från oberoende mikrofluidkanaler, och tre experiment utfördes för att erhålla en genomsnittlig flödeshastighet. De svarta cirklarna indikerar målområdet. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolisering i grisorgan. (A) Bildning av en koaguleringssvärm vid korsningen av ett ex vivo svinblodkärl. De röda streckade linjerna skisserar blodkärlet och korsningen, och den gula streckade linjen skisserar koaguleringssvärmen. Den gröna pilen visar flödesriktningen för mikrobubblor. Skalstång, 10 mm. (B) Schematisk illustration av injektionsstället för ett ex vivo svinomentum i experiment. Svarta pilar indikerar flödesriktningen. (C) Selektiv embolisering i blodkärlsnätverket av ett ex vivo svinomentum med målområdet centrerat på (5 mm, -5 mm). De svarta cirklarna anger målområdet, de röda pilarna anger blodflödesriktningen och de blå pilarna anger flödesriktningen för blå färgämne. (D) Optisk mikroskopibild som visar en svärm bildad vid den riktade korsningen av ett ex vivo svinomentum. De röda streckade linjerna visar blodkärlet och korsningen, och de gula streckade linjerna visar den magnetiska partikelsvärmen. Skalstång, 200 μm. (E) Digital subtraktionsangiografi resultat av in vivo svinnjurar under olika emboliseringsförhållanden. De orange prickade cirklarna indikerar målområdena. Skalstång, 50 mm. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Outlook
På detta sätt utvecklade Junhui Law och kollegor en aktiveringsstrategi för att reglera magnetiska partikelsvärmar för selektiv embolisering. De mikrorobotiska svärmarna som bildas via aktiveringsstrategin ger en potentiell lösning för selektiv embolisering på kliniken för att förhindra komplikationer som uppstår via icke-selektiva emboliseringsmekanismer. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
