Onderzoekers hebben ontdekt dat ze zachte, met vloeistof gevulde nanodeeltjes – kleine bolletjes zo klein als virussen die worden gebruikt om medicijnen af ​​te leveren – open kunnen maken door geluidsgolven te gebruiken om microscopisch kleine belletjes te creëren die barsten als ballonnen.

Het werk laat zien hoe geluidsgolven zachte nanodeeltjes nauwkeurig kunnen controleren, die minder goed in staat zijn dan hun harde tegenhangers om fysieke veranderingen in het lichaam te weerstaan ​​terwijl ze hun lading afleveren.

“Veel medicijnen zijn kwetsbaar, dus het beheersen van hoe deze zachte nanodeeltjes in de loop van de tijd transformeren is ongelooflijk belangrijk voor de toediening van medicijnen en andere medische toepassingen”, zegt Ming Guo, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek.

“Het gebruik van geluid biedt ons een manier om op niet-invasieve wijze te bepalen hoeveel en hoe snel de medicijnen moeten worden vrijgegeven, waardoor een nieuw controleniveau wordt geboden om ziekten en weefsels aan te pakken.

Guo en collega's rapporteerden vandaag hun akoestische nanomechanische techniek in het tijdschrift Advanced Materials.

Met vloeistof gevulde nanodeeltjes hebben een groot potentieel getoond om therapieën te leveren, maar zijn gevoeliger dan vaste nanodeeltjes voor fysieke en biologische krachten in het lichaam. Naast de voortijdige afgifte van medicijnen tijdens de bevalling, maken wetenschappers zich ook zorgen dat het lichaam de nanodeeltjes verwijdert voordat ze hun beoogde bestemming bereiken.

Een oplossing zou kunnen zijn om het medicijndragende materiaal – zoals het polymeer, lipide of metaal – aan te passen om de nanodeeltjes sterker te maken. Maar dat bemoeilijkt vaak de chemie van het nanodeeltje, waardoor het moeilijker wordt om te controleren hoe het medicijn vrijkomt.

Een zachtere optie om de medicijndosis onder controle te houden, is het gebruik van externe triggers zoals licht, hitte of echografie. Maar ook deze methoden gaan vaak gepaard met ingewikkelde of onnauwkeurige controles, zei Guo.

“Licht kan bijvoorbeeld te invasief zijn en ongewenste bijwerkingen veroorzaken,” zei ze. “En hoewel echografie een veel hogere ruimtelijke en temporele resolutie heeft, vereist het nauwkeurig beheersen van de mechanische effecten een zorgvuldige engineering van de ultrasone pulsen.

In hun zoektocht naar een manier om zachte nanodeeltjes nauwkeurig te manipuleren met behulp van echografie, kozen Guo en collega's voor een proces in twee stappen.

Ten eerste ontwierpen ze nanodeeltjes met een vloeibare kern van perfluorkoolstof omgeven door een dubbellaagse lipidelaag, net als een celmembraan.

Het team ontdekte dat wanneer de nanodeeltjes in vloeistof werden gedaan en vervolgens met ultrageluid werden gepulseerd, de geluidsgolven kleine belletjes in de nanodeeltjes creëerden. Na verloop van tijd breidden deze belletjes zich uit, waardoor uiteindelijk de lipide-omhulling scheurde en de vloeibare kern vrijkwam.

“Akoestisch getriggerd uiteenvallen vindt alleen plaats wanneer de grootte en concentratie van de bellen en hun groeisnelheid een bepaalde drempel bereiken,” zei Guo. "En we ontdekten dat de ultrasone parameters ontworpen konden worden om deze parameters nauwkeurig te manipuleren."

Als proof of concept gebruikten de onderzoekers de techniek om een ​​fluorescerende lading, die in de plaats kwam van een medicijn, in cellen in een laboratoriumschaal af te leveren. De resultaten suggereerden dat de methode zou kunnen worden gebruikt om de medicijnafgifte in het lichaam te controleren.

Voor de volgende stappen is het team van Guo van plan zich te concentreren op hoe de akoestische parameters kunnen worden aangepast voor gecontroleerde afgifte van medicijnen voor verschillende ziekten en weefsels. “Een belangrijke uitdaging zal zijn om ervoor te zorgen dat deze parameters klinisch vertaald kunnen worden,” zei Guo. "We zijn zeer bemoedigd door de eerste in vitro validatie, en dat zal ons toekomstige werk begeleiden."