science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Microrobots in zwermen voor medische embolisatie

Onderhoud van zwermintegriteit op gerichte kruispunten. (A) Schema's die het gebruik van magnetische deeltjeszwermen illustreren om de kruispunten in een gericht gebied te blokkeren. (B) Schematische analyse van de krachten uitgeoefend op tip-deeltjes. De bruine cirkels geven magnetische deeltjes aan. De zwarte gestippelde cirkels duiden de puntdeeltjes aan. De magnetische interactiekrachten en hun resulterende interactiekracht worden aangegeven door respectievelijk dunne blauwe pijlen en een dikke blauwe pijl. De fluïdische weerstandskracht en de reactiekracht worden aangegeven door dikke rode pijlen. γ is de vertakkingshoek van de kruising. θ is de hoek tussen de magnetische interactiekracht en de x-as. De configuraties van deeltjes op kruispunten met verschillende vertakkingshoeken worden gedemonstreerd in de groene kaders. Paarse gebieden vertegenwoordigen de muren van kruispunten. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Microrobotische middelen kunnen zwermen gerichte medicijnafgifte vormen voor verbeterde beeldanalyses. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Junhui Law en een team van onderzoekers in mechanische en industriële techniek, kunstmatige intelligentie en biomedische technologie aan de Universiteit van Toronto en de Universiteit van Shanghai, China, week af van het typische proces van medicamenteuze therapie om zwermembolisatie te vergemakkelijken. Het proces is een medische techniek die wordt gebruikt om bloedvaten te blokkeren tijdens de behandeling van trombose en arterioveneuze misvormingen. Magnetische deeltjeszwermen bieden een nauwkeurigere embolisatie en kunnen de integriteit van de zwerm behouden in een gericht gebied onder fluïdumstroomomstandigheden. Op basis van experimenten in microfluïdische kanalen, ex vivo weefsels en in vivo varkensnieren, valideerden Law en het team de werkzaamheid van de voorgestelde strategie voor selectieve embolisatie.

Collectieve zwermen

Collectief gedrag is alomtegenwoordig van aard, waar scholen vissen en zwermen insecten complexe taken kunnen uitvoeren. Bio-ingenieurs worden geïnspireerd door de collectieve intelligentie in natuurlijke zwermen om een ​​verscheidenheid aan microrobots te ontwikkelen voor uiteenlopende toepassingen. In dit werk ontwikkelden de onderzoekers een activeringsstrategie om magnetische deeltjeszwermen te integreren om de bloedstroom in een gericht gebied nauwkeurig te emboliseren voor selectieve embolisatie in een diermodel. Het werk bood dieper inzicht en een proof-of-concept-onderzoek om het gedrag van micro-robots onder fysiologische omstandigheden te begrijpen.

Zwermintegriteit tijdens stroming

Het onderzoeksteam bereikte selectieve embolisatie door op verzoek microrobotische zwermen te genereren om bloedvaten in een gericht gebied te blokkeren. Ze gebruikten superparamagnetische deeltjes met een diameter kleiner dan rode en witte bloedcellen voor hun verspreiding in bloedcapillairen. De onderzoekers bedekten de microdeeltjes met trombine om oplosbaar fibrinogeen in het bloed om te zetten in fibrinegaasjes om rode bloedcellen met de deeltjes te bevatten.
Het team merkte op hoe de zwermen zich splitsen onder stroming als gevolg van zwakke interacties tussen de deeltjes. Het onderzoeksteam handhaafde de integriteit van de zwerm in microfluïdische kanalen onder fysiologisch relevante omstandigheden, waaronder vertakking van bloedvaten en bloedstroom. Vervolgens hebben ze een zwerm op een kruispunt gemodelleerd om de relaties tussen de vertakkingshoek, de stroomsnelheid en de zwermintegriteit ten opzichte van de magnetische veldsterkte te begrijpen. Terwijl zwermen splitsten wanneer de aangelegde magnetische veldsterkte lager was dan de berekende waarde, behielden zwermen hun integriteit op een kruispunt wanneer de aangelegde magnetische veldsterkte hoger was dan de berekende waarde.

Experimentele validaties voor het model. (A en B) De relatie tussen kritische magnetische veldsterkte Bkritisch en stroomsnelheid op kruispunten met verschillende vertakkingshoeken γ in respectievelijk volbloed van varkens en PBS. (C en D) De integriteit van zwermen wanneer de toegepaste magnetische veldsterkte respectievelijk lager en hoger was dan Bcritical. Schaalbalk, 20 m. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Selectief onderhoud van zwermintegriteit

De wetenschappers probeerden een lage magnetische veldsterkte te ontwikkelen voor selectieve embolisatie om de integriteit van zwermen te verminderen en onbedoelde blokkering te voorkomen. Ze handhaafden een activeringsstrategie voor aanhoudende zwermintegriteit in een gericht gebied. Ondanks veranderende magnetische veldverdelingen handhaafde het team een ​​hoge magnetische veldsterkte in de beoogde regio. Zwermen die zich buiten het doelgebied vormden, kwamen in aanraking met magnetische velden van lage sterkte en konden daarom hun integriteit niet behouden. De wetenschappers valideerden de voorgestelde activeringsstrategie via experimenten.

Embolisatie in microfluïdische kanalen en proof-of-concept-onderzoeken

Het onderzoeksteam testte de effectiviteit van het gebruik van magnetische deeltjeszwermen om de bloedstroom te blokkeren en mat de bloedstroomsnelheid onder verschillende omstandigheden. Ze zorgden voor zichtbaarheid onder optische microscopie door de bloedstroom van varkens in microfluïdische kanalen te verdunnen met 120 0 vertakkende hoeken. Het team heeft de stroomsnelheid gemeten door de snelheid van de rode bloedcellen te berekenen om de gemiddelde stroomsnelheid te begrijpen, die gemiddeld 84 µm/s bedroeg. De wetenschappers demonstreerden een activeringsstrategie samen met met trombine gecoate magnetische deeltjes voor selectieve embolisatie met minimale onbedoelde blokkering buiten een doelgebied. Vervolgens voerden ze ex-vivo proof-of-concept-experimenten uit in een varkensbloedvat met behulp van microrobotische zwermen en beeldden ze een bloedvat af met een vertakkingshoek van 30 graden via een echografiesysteem. Ze injecteerden bovendien met trombine gecoate magnetische deeltjes in het bloedvat met een stroomsnelheid van 80 µm/s en merkten een opgelichte vlek op de kruising op die de vorming van een zwerm aangaf om de embolisatie van het bloedvat via de zwerm te bevestigen. Na ex vivo studies testte het team de voorgestelde strategie voor selectieve embolisatie in in vivo varkensnieren om selectieve embolisatie te realiseren.

  • Actuatiestrategie voor selectief onderhoud van zwermintegriteit en experimentele validatie. (A) Schematische weergave van de voorgestelde activeringsstrategie. De zwarte cirkels geven het doelgebied aan. De bruine en witte spoelen zijn respectievelijk de dominante en hulpspoelen. De zwarte lijnen scheiden de werkruimte in gebieden met een magnetische veldsterkte die hoger en lager is dan Bcritical. De zwarte pijlpunt geeft de stroomrichting aan. (B) Schematische illustratie van de gerichte en niet-gerichte regio's die zijn beschreven in de brute-force-zoekopdracht. De zwarte cirkel geeft het doelgebied aan. De straal rQ en de middenpositie PQ van het doelgebied zijn gelabeld. De niet-gerichte subregio's U1, U2, U3 en U4 zijn gemarkeerd met verschillende kleuren. (C) Experimenteel slagingspercentage van de voorgestelde strategie bij het handhaven van de integriteit van de zwerm in drie gevallen. De experimentele gegevens in elk vierkantje werden gemeten vanuit onafhankelijke microfluïdische kanalen en vier experimenten werden herhaald om het slagingspercentage te bepalen. De zwarte cirkels geven de beoogde regio's aan. (D) Experimentele ruimtelijke verdeling van locaties met een slagingspercentage van 75% en hoger in drie gevallen. De linker inzet toont een lege kruising die aangeeft dat zwermen zijn gesplitst, en de rechter inzet toont een zwerm die met succes op een kruising is gehandhaafd. De zwarte cirkels geven de beoogde regio's aan. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

  • Embolisatie in microfluïdische kanalen. (A) Verschillende voorwaarden voor het verminderen van de bloedstroomsnelheid. De stroomsnelheden werden gemeten wanneer de omstandigheden gedurende 10 minuten geactiveerd werden gehouden. De foutbalken vertegenwoordigen de SD van 10 proeven. MP's duiden magnetische deeltjes aan. (B) Scanning elektronenmicroscopie afbeelding van een stollingszwerm. Voor visualisatie werden varkens-RBC's, fibrinemazen en magnetische deeltjes kunstmatig gekleurd in respectievelijk rood, groen en blauw. Schaalbalk, 2 m. (C) Experimentele resultaten van embolisatie in microkanalen met behulp van met trombine gecoate magnetische deeltjes. Schaalbalk, 20 m. (D) het ingangsdebiet van verdund varkensbloed in de microfluïdische kanalen (gemiddeld debiet:83 m/s). (E) Experimenteel gemeten stroomsnelheid in de microfluïdische kanalen onder verschillende embolisatieomstandigheden. De stroomsnelheden werden gemeten wanneer de omstandigheden gedurende 10 minuten geactiveerd werden gehouden. Voor (D) en (E) werden de gegevens in elk vierkantje gemeten vanuit onafhankelijke microfluïdische kanalen en werden drie experimenten uitgevoerd om een ​​gemiddelde stroomsnelheid te verkrijgen. De zwarte cirkels geven het doelgebied aan. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

  • Embolisatie in varkensorganen. (A) Vorming van een stollingszwerm op de kruising van een ex vivo varkensbloedvat. De rode stippellijnen schetsen het bloedvat en de kruising, en de gele stippellijn schetst de stollingszwerm. De groene pijl geeft de stroomrichting van microbellen aan. Schaalbalk, 10 mm. (B) Schematische weergave van de injectieplaats van een ex vivo varkensomentum in experimenten. Zwarte pijlen geven de stroomrichting aan. (C) Selectieve embolisatie in het bloedvatnetwerk van een ex vivo varkensomentum met het beoogde gebied gecentreerd op (5 mm, −5 mm). De zwarte cirkels geven het beoogde gebied aan, de rode pijlen geven de richting van de bloedstroom aan en de blauwe pijlen geven de stroomrichting van de blauwe kleurstof aan. (D) Optische microscopie afbeelding van een zwerm gevormd op de gerichte kruising van een ex vivo varkens omentum. De rode stippellijnen schetsen het bloedvat en de kruising, en de gele stippellijnen schetsen de magnetische deeltjeszwerm. Schaalbalk, 200 m. (E) Digitale subtractie-angiografieresultaten van in vivo varkensnieren onder verschillende embolisatieomstandigheden. De oranje gestippelde cirkels geven de beoogde regio's aan. Schaalbalk, 50 mm. Krediet:Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Junhui Law en collega's een activeringsstrategie om magnetische deeltjeszwermen te reguleren voor selectieve embolisatie. De microrobotische zwermen gevormd via de activeringsstrategie bieden een mogelijke oplossing voor selectieve embolisatie in de kliniek om complicaties te voorkomen die optreden via niet-selectieve embolisatiemechanismen. + Verder verkennen

Het strandevenement in Bombay toont problemen aan bij het voorspellen van aardbevingen

© 2022 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Darmmicrobioom helpt beren met zeer verschillende diëten om dezelfde grootte te bereiken
  2. Besmettelijk geeuwen
  3. Paradoxen in microbiële economieën
  4. Wat veroorzaakt het uitsterven van planten en dieren?
  5. Waarom zetten we de radio zachter als we verdwaald waren?
  6. Kevers felle kleuren gebruikt voor camouflage in plaats van roofdieren te waarschuwen
  7. Coyotes in New York City hoeven niet afhankelijk te zijn van menselijke voeding
  8. Nachtsnacks van vleermuizen onthullen aanwijzingen voor het beheer van bedreigde diersoorten
  9. Scheiding komt vaker voor bij albatrosparen met verlegen mannen, studievondsten

Wetenschap