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纳米粒子进行了极好的磁性航行 由磁场驱动的微型机器人可以帮助药物输送纳米粒子到达目标

发布时间:2019-05-14 15:50:55 来源:

工程师设计的微型机器人可以帮助药物输送纳米粒子从血液中流出并进入肿瘤或其他疾病部位。磁性微型机器人可以帮助克服使用纳米粒子输送药物的最大障碍之一:使它们离开血管并积聚在正确的位置。

麻省理工学院的工程师设计了微型机器人,可以帮助药物输送纳米粒子从血液中流出,进入肿瘤或其他疾病部位。就像“Fantastic Voyage”中的工艺品 - 一部20世纪60年代的科幻电影,其中潜艇工作人员缩小尺寸并漫游身体以修复受损细胞 - 机器人在血液中游动,产生的电流随着它们一起拖动纳米粒子。

受细菌推进启发的磁性微型机器人可以帮助克服使用纳米粒子输送药物的最大障碍之一:让粒子离开血管并在正确的位置积聚。

“当你将纳米材料放入血液中并将其靶向患病组织时,这种有效载荷进入组织的最大障碍是血管内壁,”Sangeeta Bhatia说,他是John和Dorothy Wilson健康科学教授,技术与电子工程与计算机科学,麻省理工学院科赫综合癌症研究所及其医学工程与科学研究所的成员,该研究的高级作者。

“我们的想法是看看你是否可以使用磁力来产生推动纳米粒子进入组织的流体力,”麻省理工学院前博士后文章的主要作者,出现在4月26日的科学进展中的 Simone Schuerle补充说。

在同一项研究中,研究人员还表明,他们可以使用天然磁性的活细菌群来达到类似的效果。研究人员说,这些方法中的每一种都适用于不同类型的药物输送。

小机器人

Schuerle现在是瑞士联邦理工学院(苏黎世联邦理工学院)的助理教授,他首先在苏黎世联邦理工学院的Brad Nelson的多尺度机器人实验室担任研究生,开始研究微型磁性机器人。2014年,当她作为博士后来到Bhatia的实验室时,她开始研究这种机器人是否有助于提高纳米粒子的药物输送效率。

在大多数情况下,研究人员将他们的纳米粒子靶向被“渗漏”血管(如肿瘤)包围的疾病部位。这使得颗粒更容易进入组织,但是递送过程仍然不如它需要的那样有效。

麻省理工学院的团队决定探索磁力机器人产生的力是否可以提供更好的方法将粒子推出血液并进入目标部位。

Schuerle在本研究中使用的机器人长度为35百分之一,大小与单个电池相似,并且可以通过施加外部磁场来控制。这种生物启发的机器人,研究人员称之为“人造细菌鞭毛”,由一种微小的螺旋组成,类似于许多细菌用来推动自身的鞭毛。这些机器人使用高分辨率3-D打印机进行3D打印,然后涂上镍,这使得它们具有磁性。

为了测试单个机器人控制附近纳米粒子的能力,研究人员创造了一种模拟肿瘤周围血管的微流体系统。它们系统中的通道,宽度在50到200微米之间,内衬有凝胶,该凝胶具有孔以模拟肿瘤附近看到的破裂血管。

研究人员使用外部磁铁向机器人施加磁场,使螺旋旋转并在通道中游动。由于流体以相反的方向流过通道,机器人保持静止并产生对流电流,将200纳米聚苯乙烯颗粒推入模型组织。这些颗粒在没有磁性机器人的帮助下被输送到组织中的深度是纳米颗粒的两倍。

这种类型的系统可以潜在地结合到支架中,支架是静止的并且易于通过外部施加的磁场来瞄准。Bhatia说,这种方法可用于提供药物以帮助减少支架部位的炎症。

细菌群

研究人员还开发了这种方法的一种变体,它依赖于成群的天然趋磁细菌而不是微型机器人。Bhatia之前已开发出可用于传递抗癌药物和诊断癌症的细菌,利用细菌在疾病部位积聚的自然倾向。

在这项研究中,研究人员使用了一种名为Magnetospirillum magneticum的细菌,它可以自然地产生氧化铁链。这些被称为磁小体的磁性粒子帮助细菌定位自己并找到它们的首选环境。

研究人员发现,当他们将这些细菌放入微流体系统并在某些方向上施加旋转磁场时,细菌开始同步旋转并沿同一方向移动,拉动附近的任何纳米粒子。在这种情况下,研究人员发现纳米粒子被推入模型组织的速度比没有任何磁力辅助的纳米粒子快三倍。

这种细菌方法可以更好地适用于肿瘤等情况下的药物输送,其中在不需要视觉反馈的情况下从外部控制的群体可以在整个肿瘤的血管中产生流体力。

研究人员在这项研究中使用的颗粒大到足以携带大量有效载荷,包括CRISPR基因组编辑系统所需的成分,Bhatia说。她现在计划与Schuerle合作,进一步开发这两种用于动物模型测试的磁性方法。

该研究由瑞士国家科学基金会,Branco Weiss奖学金,国立卫生研究院,国家科学基金会和霍华德休斯医学研究所资助。

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