Propulsão espontânea por quebra de simetria de micropartículas magnéticas quimicamente revestidas

Sep 23, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17646 (2022) Citar este artigo

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As micro/nanopartículas revestidas quimicamente são frequentemente usadas na medicina para melhorar a administração de medicamentos e aumentar a absorção de medicamentos em áreas específicas do corpo. Usando um mecanismo de propulsão de quebra de simetria espontânea descoberto recentemente, demonstramos que micropartículas revestidas quimicamente podem nadar através da solução de muco sob navegação precisa e que certas funcionalizações podem alterar dinamicamente o comportamento de propulsão. Para esta investigação, biotina, bitotina-PEG3-amina e biotina quitosana foram quimicamente funcionalizadas nas superfícies de micropartículas magnéticas usando um complexo avidina-biotina. Esses produtos químicos foram escolhidos porque são usados ​​prolificamente em aplicações de entrega de drogas, com PEG e quitosana tendo efeitos mucoadesivos bem conhecidos. As micropartículas revestidas foram então suspensas em muco sintetizado a partir de mucinas estomacais suínas e impulsionadas usando campos magnéticos rotativos. A relação entre diferentes revestimentos químicos, velocidade de micropartículas e controlabilidade foi minuciosamente explorada e discutida. Os resultados indicam que os revestimentos de superfície biotinilados alteraram o comportamento de propulsão das micropartículas, com diferenças de desempenho interligadas às propriedades do campo magnético e às propriedades localizadas do muco. Micropartículas de transporte de drogas controladas com precisão são concebidas para ajudar a suplantar os métodos tradicionais de administração de drogas e aprimorar as técnicas médicas existentes utilizando micro/nanopartículas.

A tecnologia de microrobótica tem um enorme potencial para criar uma mudança de paradigma no tratamento médico, permitindo a administração de medicamentos direcionados, cirurgia minimamente invasiva e aprimoramento de contraste para imagens médicas. As aplicações específicas incluem a conservação de terapias raras por meio de entrega precisa, desobstrução de artérias e cirurgia cerebral. Para contornar a física de baixo número de Reynolds1, uma variedade de microrrobôs foi desenvolvida para produzir movimento não recíproco, incluindo microrrobôs baseados em hélice que aproveitam a geometria quiral para impulsionar2 e microrobôs flexíveis que deformam seus corpos para criar movimento translacional3,4. Além disso, as partículas de Janus foram desenvolvidas para se moverem através do fluido a granel usando decomposição química5 e gradientes térmicos autogerados6,7. Esses métodos de propulsão são eficazes e necessários conforme a situação, mas vêm com o custo da complexidade e muitas vezes exigem etapas de fabricação caras8. Embora a entrega de medicamentos usando essas plataformas tenha sido estudada9,10,11, haveria um enorme benefício na conversão de micro/nanopartículas existentes já usadas em tratamentos médicos em microrrobôs totalmente navegáveis. Além de ajudar a desenvolver novos tratamentos terapêuticos direcionados, esse avanço reforçaria a pesquisa existente sobre aplicações de micro/nanopartículas, como administração de medicamentos12, hipotermia13 e ressonância magnética14.

Em apoio a esse esforço, descobriu-se recentemente que a propulsão espontânea de quebra de simetria ocorre em fluidos semelhantes a hastes não newtonianas, permitindo que micropartículas magnéticas simétricas se movam ao longo de seu eixo de rotação usando um efeito de compressão do fluido primeiro e segundo diferenças de tensão normal15. Antes deste estudo, os objetos mais simples documentados para obter propulsão em fluidos não newtonianos eram nadadores com halteres e vieiras impressas em 3D16,17. Embora a quebra de simetria espontânea esteja atualmente limitada a um subconjunto de fluidos não newtonianos com propriedades semelhantes a hastes, esses efeitos demonstraram ocorrer em fluidos mucosos sintetizados a partir de mucina suína biológica15. Dada a complexidade e as interações físico-químicas que as mucinas podem ter na entrega de drogas, é necessária uma investigação de acompanhamento sobre como a funcionalização química da superfície afeta a propulsão espontânea de quebra de simetria.

A investigação original restringiu-se a micropartículas revestidas com uma funcionalização química de estreptavidina (avidina)5. Sabe-se que a avidina interage com a biotina e cria uma das ligações não covalentes mais fortes encontradas na natureza18, tornando-a altamente desejável em aplicações de medicina e nanotecnologia19. Por essas razões, muitos compostos de drogas geralmente possuem grupos funcionais de biotina que permitem que eles se liguem a micro/nanopartículas ou outros veículos de entrega revestidos com avidina. Os tratamentos medicamentosos comuns no trato gastrointestinal geralmente dependem de compostos mucoadesivos, tanto para aumentar a absorção de cargas úteis de medicamentos quanto para garantir a localização correta das nanopartículas transportadoras de medicamentos20. Isso questiona se micropartículas revestidas quimicamente nadando sob quebra espontânea de simetria podem (1) nadar efetivamente dentro de fluidos mucosos e (2) quais diferenças de velocidade ou interações ocorrem entre diferentes revestimentos. Ser capaz de navegar pelas micropartículas de forma rápida e eficaz seria fundamental para transferi-las para aplicações de uso no mundo real, onde a velocidade nos procedimentos de implantação de medicamentos seria crítica para a recuperação do paciente. Ao contrário das micro/nanopartículas passivas examinadas anteriormente, as micropartículas propulsoras poderão navegar com precisão até os locais de destino e penetrar em fluidos complexos e ambientes de tecidos, sem depender apenas das propriedades de difusão.