Arbetet avslöjar hur ljudvågor exakt kan kontrollera mjuka nanopartiklar, som har mindre förmåga än sina hårda motsvarigheter att motstå fysiska förändringar i kroppen när de levererar sin last.
"Många mediciner är ömtåliga, så att kontrollera hur dessa mjuka nanopartiklar omvandlas över tid är otroligt viktigt för läkemedelstillförsel och andra medicinska tillämpningar", säger Ming Guo, docent i materialvetenskap och teknik.
"Att använda ljud ger oss ett sätt att på ett icke-invasivt sätt styra hur mycket och hur snabbt läkemedlen ska släppas, vilket ger en ny nivå av kontroll för att rikta in sig på sjukdomar och vävnader.
Guo och kollegor rapporterade sin akustiska nanomekaniska teknik idag i tidskriften Advanced Materials.
Vätskefyllda nanopartiklar har visat stor potential att leverera terapier men är mer mottagliga än fasta nanopartiklar för fysiska och biologiska krafter i kroppen. Förutom för tidig frisättning av läkemedel under förlossningen oroar sig forskarna också för att kroppen kan ta bort nanopartiklarna innan de når sin avsedda destination.
En lösning kan vara att justera det läkemedelsbärande materialet - såsom polymeren, lipiden eller metallen - för att göra nanopartiklarna segare. Men det komplicerar ofta nanopartikelns kemi, vilket gör det svårare att kontrollera hur det släpper läkemedlet.
Ett skonsammare alternativ för att kontrollera läkemedelsdosen är att använda externa triggers som ljus, värme eller ultraljud. Men även dessa metoder kommer ofta med komplicerade eller oprecisa kontroller, sa Guo.
"Till exempel kan ljus vara för invasivt och kan inducera oönskade biverkningar," sa hon. "Och medan ultraljud har mycket högre rumslig och tidsmässig upplösning, kräver exakt kontroll av de mekaniska effekterna noggrann konstruktion av ultraljudspulserna.
I sin strävan att utveckla ett sätt att exakt manipulera mjuka nanopartiklar med hjälp av ultraljud, bestämde sig Guo och kollegor för en tvåstegsprocess.
Först designade de nanopartiklar med en flytande perfluorkolvätekärna omgiven av ett lipidbilagerskal, precis som ett cellmembran.
Teamet upptäckte att när nanopartiklarna lades i vätska och sedan pulserade med ultraljud, skapade ljudvågorna små bubblor i nanopartiklarna. Med tiden expanderade dessa bubblor, vilket slutligen sprängde lipidskalet och släppte ut den flytande kärnan.
"Akustiskt utlöst uppbrott inträffar bara när storleken och koncentrationen av bubblorna och deras tillväxthastighet når en viss tröskel," sa Guo. "Och vi fann att ultraljudsparametrarna kunde utformas för att exakt manipulera dessa parametrar."
Som ett bevis på konceptet använde forskarna tekniken för att leverera en fluorescerande nyttolast, som stod för ett läkemedel, till celler i en labbskål. Resultaten föreslog att metoden skulle kunna användas för att kontrollera läkemedelstillförseln inuti kroppen.
För nästa steg planerar Guos team att fokusera på hur de akustiska parametrarna kan skräddarsys för kontrollerad frisättning av läkemedel för olika sjukdomar och vävnader. "En viktig utmaning kommer att vara att säkerställa att dessa parametrar kan översättas kliniskt," sa Guo. "Vi är mycket uppmuntrade av den första in vitro-valideringen, och det kommer att styra vårt framtida arbete."
