Nanodeeltjes hebben toepassingen als therapeutische middelen voor gewrichtsaandoeningen zoals artrose. Maar de rol van diffusie van nanodeeltjes in gewrichtsvloeistof of de vloeistof in het gewricht is onvolledig begrepen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Mythreyi Unni en een onderzoeksteam in chemische technologie en biomedische technologie in de VS gebruikten de Stokes-Einstein-relatie om de rotatie- en translatiediffusie van met polymeer beklede nanodeeltjes in stille synoviale vloeistof en hyaluronzuuroplossingen te beschrijven. De resultaten gaven inzicht in het diffusiegedrag van met polymeer beklede anorganische nanodeeltjes in complexe aggregaten van biologische omgevingen die typisch aanwezig zijn in het gewricht.

Nanodeeltjes in het lab

Nanodeeltjes zijn therapeutische en diagnostische middelen en onderzoekers proberen hun diffusie in biologische vloeistoffen te begrijpen - de sleutel voor klinische toepassingen. De deeltjes kunnen worden ontworpen om artrose te controleren en te behandelen, hoewel hun rol van diffusie in synoviale vloeistoffen nog moet worden begrepen. In dit werk, Unni et al. bestudeerde de translationele en roterende diffusie van colloïdale, stabiele en neutrale nanodeeltjes in gewrichtsvloeistof van runderen en in hyaluronzuuroplossingen, waarvan de laatste een belangrijk onderdeel vormt van de gewrichtsvloeistof in het gewricht. Deeltjes kunnen in een vloeistof worden overgebracht door convectie en diffusie op basis van willekeurige thermische fluctuaties die worden beschreven door hun translatie- en rotatiediffusiviteit als een functie van deeltjes- en vloeistofeigenschappen. Echter, afwijkingen van de Stokes-Einstein-relaties zijn opgetreden in dergelijke nanodeeltjes in oplossing. Diffusie van nanodeeltjes in biologische en polyelektrolytoplossingen ontbreekt daarom en deze informatie kan een essentiële gids vormen voor het ontwerpen van nanodeeltjes voor biomedische toepassingen, inclusief therapie en diagnose van gewrichtsaandoeningen. Unni et al. gebruikte röntgenfotoncorrelatiespectroscopiemetingen en dynamische magnetische susceptibiliteitsmetingen en tijdens de experimenten, ze zorgden voor de colloïdale stabiliteit van nanodeeltjes door ze te coaten met polyethyleenglycol. De uitkomsten van het onderzoek gaven inzicht in het gedrag van met polymeer gecoate nanodeeltjes in biologische omgevingen.

Unni et al. gebruikt tijdens het onderzoek met polymeer gecoate kobaltferriet-nanodeeltjes van verschillende hydrodynamische afmetingen. De nanodeeltjes behielden een anorganische kerndiameter en een hydrodynamische diameter, die het team heeft gemeten met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. De onderzoekers gebruikten flash-nanoprecipitatie om grotere samengestelde nanodeeltjes te bereiden en bestudeerden hun rotatiediffusiviteiten in rundersynoviale vloeistof met reologische karakteriseringsstudies. Met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiingsmetingen, ze evalueerden de structuur en aggregatietoestand van de nanodeeltjes in de synoviale vloeistof. Unni et al. bestudeerde vervolgens de nanodeeltjes in gewrichtsvloeistof met behulp van röntgenfotoncorrelatiespectroscopie, wat de Brownse diffusie van de deeltjes suggereerde. Toen ze de materialen blootstelden aan wisselende magnetische velden, ze reageerden door fysieke deeltjesrotatie, bekend als Brownse ontspanning, die het Debye-model volgde. Dynamische magnetische gevoeligheidsmetingen van de gecoate nanodeeltjes in gewrichtsvloeistof toonden aan hoe grotere substraten aanzienlijk beperkter waren in de vloeistof. Het team bestudeerde vervolgens de diffusie van nanodeeltjes in hyaluronzuuroplossingen - het belangrijkste bestanddeel van gewrichtsvloeistof.

Diffusie van nanodeeltjes in hyaluronzuuroplossingen

Het team gebruikte verder hyaluronzuur en karakteriseerde ze met behulp van reometrie en merkte duidelijk Newtoniaans gedrag op voor oplossingen met concentraties onder 1 mg/ml. Het team voerde vervolgens röntgenspectroscopiemetingen uit met kleine hoekverstrooiing om de structuur en aggregatietoestand van nanodeeltjes in hyaluronzuuroplossingen en in water te bestuderen. Terwijl de samengestelde nanodeeltjes intact bleven in water, het team merkte een bredere polydispersiteit op voor nanodeeltjes in hyaluronoplossingen. De viscositeit op nanoschaal was verschillend van de macroscopische lage afschuifviscositeit bepaald uit reometrie. De rotatiediffusiecoëfficiënten verschilden ook voor de twee soorten nanodeeltjes, waar de waarden voor de kleinere nanodeeltjes kleiner waren dan die voor de grotere composietdeeltjes. Op basis van het gedrag van de nanodeeltjes, het team veronderstelde dat de omringende mediumviscositeit veel groter zou zijn dan de oplosmiddelviscositeit, die in lijn was met het onderzoek van Albert Einstein naar de theorie van de Brownse beweging. Echter, in 1942, natuurkundige Maurice L. Huggins wijzigde het model van Einstein om de viscositeit van polymere oplossingen te beschrijven, en de hypothese gepresenteerd in dit werk door Unni et al. akkoord met het gewijzigde model.

Outlook

Op deze manier, Mythreyi Unni en collega's presenteerden een reductionistische benadering om het transport van nanodeeltjes in een overvolle en beperkte verbinding te begrijpen, door de diffusie van nanodeeltjes in gewrichtsvloeistof en in hyaluronzuuroplossingen die typisch gewrichtsvloeistof vormen, te bestuderen. De samenstelling en reologische eigenschappen van de vloeistof kunnen variëren met de leeftijd en de ziekte om de diffusie van nanodeeltjes te beïnvloeden. Aanvullende studies met nanodeeltjes van een breder groottebereik en coatings moeten worden gebruikt om het transport van nanodeeltjes in poreus kraakbeen en meerlagig synovium te beoordelen. Het team beschreef de diffusiecoëfficiënt van de met polymeer beklede nanodeeltjes met behulp van de Stokes-Einstein-relatie en volgde dit met beschrijvingen van de viscositeit van het medium met behulp van een model ontwikkeld door Huggins. Het werk toonde aan hoe het diffusiegedrag van met polymeer gecoate nanodeeltjes in biologische vloeistof en hun bestanddelen de ontwerpen van nanodeeltjes in de biogeneeskunde kunnen sturen.

© 2021 Science X Network