Propulsion spontanée par brisure de symétrie de microparticules magnétiques enrobées chimiquement

Sep 23, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17646 (2022) Citer cet article

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Les micro/nanoparticules enrobées chimiquement sont souvent utilisées en médecine pour améliorer l'administration de médicaments et augmenter l'absorption de médicaments dans des zones spécifiques du corps. À l'aide d'un mécanisme de propulsion à rupture de symétrie spontanée récemment découvert, nous démontrons que des microparticules enrobées chimiquement peuvent nager à travers une solution de mucus sous une navigation précise et que certaines fonctionnalisations peuvent modifier dynamiquement le comportement de propulsion. Pour cette étude, la biotine, la bitotine-PEG3-amine et le chitosane de biotine ont été fonctionnalisés chimiquement sur les surfaces de microparticules magnétiques à l'aide d'un complexe avidine-biotine. Ces produits chimiques ont été choisis parce qu'ils sont utilisés de manière prolifique dans les applications d'administration de médicaments, le PEG et le chitosane ayant des effets mucoadhésifs bien connus. Les microparticules enrobées ont ensuite été mises en suspension dans du mucus synthétisé à partir de mucines stomacales porcines et propulsées à l'aide de champs magnétiques rotatifs. La relation entre différents revêtements chimiques, la vitesse des microparticules et la contrôlabilité a été explorée et discutée en profondeur. Les résultats indiquent que les revêtements de surface biotinylés modifient le comportement de propulsion des microparticules, avec des différences de performances liées à la fois aux propriétés du champ magnétique et aux propriétés localisées du mucus. Des microparticules transportant des médicaments contrôlées avec précision sont envisagées pour aider à supplanter les méthodes traditionnelles d'administration de médicaments et à améliorer les techniques médicales existantes utilisant des micro/nanoparticules.

La technologie de la microrobotique a un énorme potentiel pour créer un changement de paradigme dans le traitement médical, permettant l'administration ciblée de médicaments, la chirurgie mini-invasive et l'amélioration du contraste pour l'imagerie médicale. Les applications spécifiques incluent la conservation de thérapeutiques rares grâce à une administration précise, le débouchage des artères et la chirurgie cérébrale. Pour contourner la physique à faible nombre de Reynolds1, une variété de microrobots ont été développés pour produire un mouvement non réciproque, y compris des microrobots à base d'hélice qui tirent parti de la géométrie chirale pour se propulser2 et des microrobots flexibles qui déforment leur corps pour créer un mouvement de translation3,4. De plus, les particules Janus ont été développées pour se propulser à travers le fluide en vrac en utilisant la décomposition chimique5 et les gradients thermiques auto-générés6,7. Ces méthodes de propulsion sont efficaces et nécessaires en fonction de la situation, mais ont le coût de la complexité et nécessitent souvent des étapes de fabrication coûteuses8. Bien que l'administration de médicaments à l'aide de ces plateformes ait été étudiée9,10,11, il serait extrêmement avantageux de convertir les micro/nanoparticules existantes déjà utilisées dans les traitements médicaux en microrobots entièrement navigables. En plus d'aider à développer de nouveaux traitements thérapeutiques ciblés, une telle avancée renforcerait la recherche existante sur les applications des micro/nanoparticules, telles que l'administration de médicaments12, l'hypothermie13 et l'imagerie par résonance magnétique14.

À l'appui de cet effort, on a récemment découvert que la propulsion par rupture de symétrie spontanée se produisait dans des fluides non newtoniens grimpant sur des tiges, permettant aux microparticules magnétiques symétriques de se propulser le long de leur axe de rotation en utilisant un effet de compression des différences de contraintes normales des premier et deuxième fluides15. Avant cette étude, les objets les plus simples documentés pour obtenir une propulsion dans des fluides non newtoniens étaient des nageurs haltères et des pétoncles imprimés en 3D16,17. Alors que la rupture spontanée de symétrie est actuellement limitée à un sous-ensemble de fluides non newtoniens avec des propriétés de type escalade de tige, il a été démontré que ces effets se produisent dans les fluides muqueux synthétisés à partir de mucine porcine biologique15. Compte tenu de la complexité et des interactions physiochimiques que les mucines peuvent avoir dans l'administration de médicaments, une enquête de suivi sur la façon dont la fonctionnalisation chimique de surface affecte la propulsion par rupture de symétrie spontanée est nécessaire.

L'étude originale était limitée aux microparticules recouvertes d'une fonctionnalisation chimique de la streptavidine (avidine)5. L'avidine est connue pour interagir avec la biotine et créer l'une des liaisons non covalentes les plus fortes trouvées dans la nature18, ce qui la rend hautement souhaitable dans les applications médicales et nanotechnologiques19. Pour ces raisons, de nombreux composés médicamenteux ont souvent des groupes fonctionnels biotine qui leur permettent de se fixer à des micro/nanoparticules ou à d'autres véhicules d'administration revêtus d'avidine. Les traitements médicamenteux courants dans le tractus gastro-intestinal reposent souvent sur des composés mucoadhésifs, à la fois pour augmenter l'absorption des charges utiles de médicaments et pour assurer une localisation correcte des nanoparticules porteuses de médicaments20. Cela amène à se demander si les microparticules enrobées chimiquement nageant sous une rupture de symétrie spontanée peuvent (1) nager efficacement à l'intérieur des fluides muqueux et (2) quelles différences de vitesse ou interactions se produisent entre les différents revêtements. Être capable de naviguer rapidement et efficacement dans les microparticules serait primordial pour les transférer vers des applications d'utilisation réelles où la rapidité des procédures de déploiement de médicaments serait essentielle pour le rétablissement des patients. Contrairement aux micro-/nanoparticules passives précédemment examinées, les microparticules de propulsion pourront naviguer avec précision vers des emplacements cibles et pénétrer à travers des fluides complexes et des environnements tissulaires, sans compter uniquement sur les propriétés de diffusion.

Cette étude examine les effets des revêtements chimiques biotinylés disponibles dans le commerce sur la propulsion de rupture de symétrie spontanée dans une solution de mucus. Les revêtements chimiques sélectionnés pour cette étude comprennent le revêtement de surface original d'avidine (Cas 1 - agit comme un témoin), un complexe biotine-avidine [Cas 2], une amine de polyéthylène glycol biotinylée (Bitoin-PEG3-amine, BroadPharm) [Cas 3 ], et biotine chitosane (CH-Bitoin-2k, HAworks) [Cas 3]. Ces deux derniers composés [Cas 3, PEG et chitosane] ont des effets mucoadhésifs documentés et sont souvent utilisés en conjonction avec des composés médicalement adaptés pour traiter des affections spécifiques20. Le composé de biotine autonome [Cas 2] a été sélectionné pour comprendre comment le groupe de liaison de base s'est comporté par rapport à ses formes composites. Des microparticules de 10 µm de diamètre et chaque revêtement chimique ont été mis en suspension dans une solution de mucus et mis en rotation à différentes amplitudes et fréquences de champ magnétique. Les résultats rapportés ici comprennent une analyse détaillée de la vitesse des microparticules par rapport à la fréquence sous différentes propriétés de champ magnétique, la propulsion des microparticules sous contrôle de rétroaction en boucle fermée, les effets du champ statique sur le comportement de propulsion et une discussion sur la façon dont la structure chimique contribue éventuellement à propulsion de microparticules. Cette recherche démontre pour la première fois que des microparticules, propulsées par brisure de symétrie spontanée, peuvent voir leurs vitesses de propulsion directement affectées par des fonctionnalisations chimiques et effectuer une navigation prévisible à travers les fluides muqueux.

Des microparticules magnétiques de 10 µm de diamètre (Spherotech, SVFM-100-4) ont été utilisées tout au long des expériences. Ces microparticules étaient préfabriquées avec un revêtement de surface de streptavidine (également connue sous le nom d'« avidine »), permettant la fixation naturelle de tout composé biotinylé le long de leurs surfaces. Pour les expériences présentées dans cet article, quatre revêtements de surface différents ont été explorés, notamment : la streptavidine sans composés biotinylés, la streptavidine combinée à la biotine (B4501, Sigma Aldrich), la streptavidine combinée à la polyéthylène glycol amine biotinylée (biotine-PEG3-amine, Broadpharm), et streptavidine associée à la biotine chitosan (CH-Biotin-2k, HAworks, USA, également connu sous le nom de « chitosan biotin » dans la littérature). Les particules enrobées d'avidine ont été explorées en profondeur dans des travaux antérieurs5 avec les nouvelles expériences réalisées ici à des fins de comparaison et de validation. Le revêtement de streptavidine-biotine a été exploré en tant que groupe de contrôle secondaire pour comprendre comment un revêtement de surface de biotine par lui-même, sans aucune molécule complexe attachée, pourrait potentiellement avoir un impact sur le comportement de propulsion. Les deux autres revêtements de surface (polyéthylène glycol et chitosane) sont largement documentés dans la littérature pour produire des effets mucoadhésifs qui permettent une meilleure administration et absorption de médicaments dans les zones sensibles du corps20,21,22,23,24,25,26.

Une solution à 0,022 % de biotine a été créée en mélangeant 2,2 mg de biotine (Sigma Aldrich, B4501) avec 1 ml d'eau déminéralisée ; le chauffage a été utilisé pour aider à dissoudre la biotine ainsi que le mélange avec une machine à vortex. Des concentrations plus élevées de biotine n'ont pas pu être explorées en raison des limitations de solubilité de la biotine utilisée (seulement 22 mg/100 ml). Une solution à 1% de biotine-PEG3-amine a été créée en mélangeant 10 mg de biotine-PEG3-amine avec 1 ml d'eau désionisée, avec la même machine à vortex utilisée pour mélanger la solution. Une solution de chitosane à 1 % de biotine a été créée en mélangeant 300 µl d'eau déminéralisée avec 3 mg de CH-Bitoin-2k ; une machine à vortex a été utilisée à nouveau pour bien mélanger la solution. Des microparticules à une concentration de 1 % ont été ajoutées dans un volume de 1 µl à un tube à centrifuger vide de 1,5 ml, avec l'une des trois solutions sélectionnées et ajoutées au tube dans un volume de 2 µl. La solution combinée a été laissée au repos pendant environ une minute pour permettre une interaction entre les composés biotinylés et la surface des particules d'avidine. Ensuite, 1 ml de solution de mucine à 4 % a été ajouté au tube de centrifugation et agité au vortex pour s'assurer que les particules étaient dispersées dans tout le milieu fluide. Un aimant permanent puissant (0,12 Tesla) a ensuite été placé à côté du tube pendant 15 s pour s'assurer que toutes les microparticules étaient suffisamment magnétisées avant l'expérimentation. Une chambre d'échantillon a été préparée en découpant un trou circulaire dans un film de polydiméthylsiloxane (PDMS) d'une hauteur de 1 mm. Le PDMS a ensuite été placé sur une lamelle n ° 1,5 et 30 ul de la solution de particules de mucus ont été ajoutés à la chambre; la chambre a ensuite été scellée avec une autre lamelle n ° 1,5 et toute fuite de liquide en excès a été éliminée avec du papier de soie. La chambre a ensuite été placée à l'intérieur du système de contrôle magnétique et laissée reposer pendant plusieurs minutes avant le début de l'expérimentation; cela a été fait pour éliminer tout flux interne. Les microparticules sont restées en suspension et n'ont pas coulé immédiatement au fond de la chambre d'échantillon en raison de la viscosité de la solution de mucus. Les microparticules ont été examinées loin des limites de la chambre d'échantillon et uniquement dans le liquide en vrac. Un aperçu du processus de revêtement peut être vu sur la figure 1a.

Vue d'ensemble de la configuration expérimentale et des interactions de champ magnétique. (a) Les microparticules magnétiques revêtues d'avidine sont fonctionnalisées avec l'un des trois composés suivants : la biotine, la biotine-PEG3-amine ou la biotine chitosane. Les microparticules fonctionnalisées sont mises en suspension dans une solution de mucine à 4 % et chargées dans une chambre d'échantillon qui est placée au milieu d'un système de bobine de Helmholtz approximatif. Des alimentations électriques programmables et la visualisation par caméra sont utilisées pour faire naviguer les microparticules dans le mucus avec des champs magnétiques rotatifs. Les structures chimiques ont été extraites de Chemspyder et HAworks. (b) Champs magnétiques produits par le système de bobines de Helmholtz et leur relation avec les équations. (1–3). Lorsqu'elle est soumise à un couple par un champ magnétique, une microparticule dans un fluide semblable à une tige grimpante se propulse le long d'un axe de propulsion perpendiculaire à son plan de symétrie. Deux états de propulsion peuvent être atteints (U+,U−) aléatoirement lorsqu'aucun champ statique n'est appliqué (Bs = 0). L'un ou l'autre état de propulsion peut être sélectionné à volonté lorsqu'un champ statique non nul est appliqué (Bs ≠ 0). Les hémisphères rouges et bleus représentent des dipôles magnétiques.

Un système de contrôle magnétique de bobine de Helmholtz approximatif construit sur mesure a été utilisé tout au long des expériences pour produire des champs en trois dimensions (3D). Les six bobines ont été produites à l'aide d'un fil magnétique AWG-25 et avaient 600 tours chacune. Les bobines étaient séparées par un espace de 64,5 mm entre chaque paire de bobines. Trois alimentations bipolaires programmables (modèles KEPCO BOP-20-5) ont été utilisées pour fournir un maximum de 20 volts et 5 ampères à chaque paire de bobines (une alimentation par paire de bobines). Un programme LabVIEW personnalisé a été utilisé pour contrôler les alimentations et produire les champs magnétiques rotatifs et statiques souhaités. Les signaux étaient envoyés aux alimentations programmables à l'aide de cartes DAQ (National Instruments) et étaient limités à la production de signaux de sortie jusqu'à 10 V. Les alimentations KEPCO faisaient office d'amplificateurs et doublaient le signal d'entrée fourni (20V max). Ce signal de sortie de 10 V limitait les fréquences disponibles auxquelles les microparticules pouvaient tourner ; cela est dû au fait que l'amplitude du champ magnétique de rotation est couplée à la fréquence de rotation (expliquée ci-dessous). Ce même système de contrôle magnétique a été largement utilisé dans des travaux antérieurs et a été bien caractérisé dans la littérature15,27. Une vue d'ensemble du système de contrôle magnétique peut être trouvée dans la Fig. 1a.

Des champs magnétiques rotatifs ont été générés à l'aide d'équations,

où \({B}_{s}, {B}_{r}, \theta ,\omega , t\) sont l'amplitude du champ magnétique statique, l'amplitude du champ magnétique rotationnel, l'angle de cap dans le plan x–y, le rotation du champ en radians par seconde, et le temps en secondes, respectivement. L'amplitude du champ magnétique rotationnel a été définie comme étant une fonction de la fréquence (\(f\)) en Hz, où \(\omega =2\pi f\) et le facteur d'échelle du champ magnétique \(\beta\) est un rapport entre la fréquence et l'amplitude de \({B}_{r}\). Ce facteur d'échelle est nécessaire pour limiter l'apparition d'une fréquence de « dépassement », par laquelle la microparticule magnétique tourne de manière asynchrone par rapport au champ magnétique en raison de la résistance de la viscosité du fluide28. Le vecteur de cap \(\overrightarrow{n}\) montre la direction de propulsion de la microparticule.

Le mécanisme de propulsion à rupture de symétrie spontanée se produit lorsque des microparticules magnétiques sont mises en rotation dans des fluides semblables à des tiges grimpantes, la vitesse de propulsion étant fortement influencée par les propriétés du champ magnétique15. Lorsqu'une microparticule tourne, les première et deuxième différences de contraintes normales dans le fluide créent un effet de compression le long de l'axe de propulsion perpendiculaire au plan de symétrie de la microparticule (Fig. 1b). Cet effet de compression permet aux microparticules magnétiques de connaître l'un des deux états de propulsion égaux et opposés (\({U}_{+}, {U}_{-}\)) qui sont sélectionnés au hasard lorsqu'un champ statique n'est pas appliqué le long \(\thêta\)(\({B}_{s}=0\)). Un seul état de propulsion peut être sélectionné de manière répétée une fois qu'un champ magnétique statique superposé est appliqué (\({B}_{s}\ne 0\)), le signe et l'amplitude du champ statique déterminant quel état de propulsion est activé . Le champ statique « incline » les dipôles magnétiques de la microparticule et modifie la façon dont la particule tourne autour de l'axe de propulsion ; lorsque \({B}_{s}=0\) les dipôles sont perpendiculaires à l'axe de propulsion. Un aperçu des interactions du champ magnétique avec les microparticules magnétiques peut être trouvé sur la figure 1b avec le matériel supplémentaire de travaux antérieurs expliquant ce comportement d'inclinaison en profondeur15.

Pour certaines expériences, un contrôleur à rétroaction proportionnelle a été utilisé pour naviguer dans les microparticules afin de sélectionner des points dans le champ de vision. Le contrôleur de rétroaction est défini comme suit :

où \(\dot{\theta }\) est la dérivée temporelle de l'angle de cap dans le plan x–y, \(k\) est une constante proportionnelle, \(\psi\) est l'angle de cap souhaité de la microparticule , et \({\alpha }_{d}\) est la différence entre l'angle de cap souhaité et l'angle de cap actuel du contrôleur. Les données de position de coordonnées sont obtenues à l'aide d'un traitement d'image en temps réel pour extraire le centroïde de la microparticule et le processus introduit dans le contrôleur. Les points cibles pour la microparticule sont placés manuellement par l'utilisateur et modifiés une fois que le micropratique atteint la proximité de la destination souhaitée déterminée par l'utilisateur. Pour toutes les expériences, la constante proportionnelle \(k\) a été fixée à 5, garantissant que le contrôleur atteigne rapidement un état stable, et la fréquence d'échantillonnage a été fixée à 30 Hz.

La solution de mucus a d'abord été synthétisée en mélangeant de la mucine provenant d'un estomac porcin (Sigma Aldrich, M2378) avec de l'eau déminéralisée. Pour cette étude, seule une solution de mucus à une concentration de 4 % a été explorée. Six grammes de mucine ont d'abord été mélangés avec 150 ml d'eau déminéralisée pendant 30 minutes tout en étant chauffés à 60°C. La solution a ensuite été transférée dans trois tubes à centrifuger de 50 ml et centrifugée à une force centrifuge relative (rcf) de 1200 pendant 10 min. Après centrifugation, le surnageant des tubes a été transféré dans de nouveaux tubes tandis que tout excès d'agrégats de mucus non dissous au fond du tube a été jeté. Le mucus a ensuite été stocké dans un réfrigérateur de laboratoire à 4 ° C jusqu'à ce qu'il soit utilisé pour des expériences.

La solution de mucus préparée de cette manière, et le mucus biologique régulier, ont été largement caractérisés dans la littérature en utilisant la rhéologie15,29,30,31. Alors que ces solutions de mucus synthétisées manquent de nombreux composants, tels que les protéines, les lipides, les sels, l'ADN, les cellules et les débris cellulaires, la glycoprotéine de mucine représente la majorité des propriétés viscoélastiques du mucus29,32. Avant l'introduction des microparticules enrobées, la rhéologie de la mucine a été brièvement réexaminée à des fins de comparaison et de validation. Un rhéomètre hybride Discovery (DHR-3, TA Instruments) a été utilisé en combinaison avec une géométrie de cône 4° de 40 mm pour acquérir les données de viscosité. Un taux de cisaillement incrémentiel de 1 à 100 (1/s) avec un temps moyen de 30 s a été utilisé pour chaque point de données, avec 10 points de données acquis par décade logarithmique. La figure 2 présente les courbes de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour « 4 % de mucine — nouvelle » synthétisées au cours de cette étude, ainsi que des données précédemment rapportées dans la littérature (étiquetées comme « 4 % de mucine — littérature »)15. Par rapport aux études précédentes15, il y avait une baisse significative de la viscosité globale de la solution de mucus formulée dans cette étude. Pour vérifier que le DHR-3 était correctement calibré, l'huile de silicone avec une constante de viscosité de 1 Pa s a été analysée comme contrôle et avait des valeurs à moins de 5% de la valeur attendue (Fig. 2). Pour autant qu'on puisse le déterminer, l'écart entre le mucus utilisé ici et les expériences précédentes provient principalement de différents lots de mucine fournis par Sigma Aldrich. Le mucus est connu pour varier fortement entre les individus29, il n'est donc pas déraisonnable que les solutions de mucus fabriquées à partir de différentes sources porcines (estomacs de porc) aient également une grande variation dans les propriétés des fluides. Il est également possible que des variations stochastiques lors de l'étape de centrifugation aient également conduit à cette diminution de la viscosité globale. Quoi qu'il en soit, l'échantillon de mucus utilisé pour cette étude a démontré des effets d'amincissement par cisaillement non newtoniens similaires aux résultats précédemment rapportés15 et avait une viscosité proche de l'extrémité inférieure de la plage correcte pour le mucus biologique29. La présence de première et deuxième différences de contraintes normales n'a pas été réexaminée ici en raison des difficultés de mesure discutées dans les informations complémentaires des travaux antérieurs15.

Courbes de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour différents fluides. Les points de données dans « 4 % Mucin–Littérature » ​​ont été obtenus à partir de la littérature, tandis que « 4 % Mucin–New » contient des données obtenues à partir de la recaractérisation. L'huile de silicone a été utilisée pour démontrer le comportement d'un fluide newtonien et vérifier l'étalonnage du rhéomètre. Les barres d'erreur représentent l'erreur standard sur un minimum de trois essais. Les lignes entre les points sont une aide visuelle et ne représentent pas des interpolations.

Des expériences à fréquence variable ont été menées, à l'aide du contrôleur de champ magnétique, pour comprendre le comportement de la vitesse des microparticules avec différents revêtements chimiques et propriétés de champ magnétique. Pour cet ensemble d'expériences, les microparticules ont été amenées à se propulser le long de l'axe \(x\), leur vitesse n'étant mesurée que le long de cette direction de propulsion spécifique. Trois gammes de fréquences différentes ont été explorées (1–19 Hz, 5–50 Hz et 10–100 Hz), chacune ayant un facteur d'échelle différent (\(\beta\)) pour l'amplitude du champ magnétique rotationnel (\({B} _{r})\); les \(\beta\) pour chaque gamme de fréquences ont été fixées à 0,5, 0,175 et 0,1, respectivement. Ces \(\beta\) ont été sélectionnés de manière à ce que les alimentations puissent fournir une puissance suffisante aux bobines sur la plage de fréquences nécessaire sans atteindre leur limite supérieure de 20 V. La fréquence de rotation a été itérée à des incréments de 1 Hz, 5 Hz et 10 Hz pour chacune des plages de fréquences respectives. Les microparticules ont été suivies à l'aide de données de position centroïde obtenues à partir du traitement d'image, avec leurs vitesses obtenues en calculant instantanément la position des particules entre les images individuelles. Les résultats des trois gammes de fréquences différentes sont présentés sur la figure 3, chaque revêtement de surface étant comparé au groupe témoin revêtu de streptavidine (avidine).

Graphiques de vitesse par rapport à la fréquence pour différents revêtements chimiques, où tous les revêtements chimiques sont comparés au cas de contrôle du revêtement de surface d'avidine. ( a – c ) Vitesse par rapport à la fréquence sur une plage de 1 à 19 Hz, par incréments de 1 Hz, avec un facteur d'échelle de champ magnétique (β) de 0,5. ( d - f ) Vitesse par rapport à la fréquence sur une plage de 5 à 50 Hz, par incréments de 5 Hz, avec un facteur d'échelle de champ magnétique (β) de 0,175. ( a – c ) Vitesse par rapport à la fréquence sur une plage de 10 à 100 Hz, par incréments de 10 Hz, avec un facteur d'échelle de champ magnétique (β) de 0,1. Les barres d'erreur représentent l'erreur standard. Les coefficients de détermination pour l'avidine, la biotine, la biotine-PEG3-amine et le chitosan biotine dans (a–c) sont respectivement de 0,97, 0,96, 0,97 et 0,78. Les coefficients de détermination de l'avidine, de la biotine, de la biotine-PEG3-amine et du chitosan biotine dans (d – f) sont respectivement de 0,93, 0,98, 0,96 et 0,96. Neuf particules d'avidine, neuf particules de biotine, dix particules de biotine-PEG3-amine et sept particules de chitosane ont été examinées en (a–c). Cinq particules d'avidine, cinq de biotine, cinq de biotine-PEG3-amine et cinq de chitosane ont été examinées en (d – f). Quatre particules d'avidine, cinq de biotine, quatre de biotine-PEG3-amine et cinq de chitosane ont été examinées en (g – i). Toutes les microparticules ont eu au moins 3 essais indépendants chacune. Les lignes pleines représentent des ajustements linéaires commençant à 0 Hz. La vitesse a été calculée uniquement le long de la composante x, la vitesse de la composante y étant ignorée.

Les effets des différents revêtements de surface deviennent immédiatement apparents dans la première série d'expériences dans une plage de fréquences de 1 à 19 Hz (Fig. 3a à c, \(\beta =0,5\)). La biotine confère une diminution notable de la vitesse sur la figure 3a tout en maintenant un coefficient de détermination élevé avec son ajustement linéaire. Les microparticules de biotine restent dans un écart-type des particules d'avidine aux basses fréquences (attendues), mais les deux courbes divergent vers 6 Hz et deviennent distinctes. Il était inattendu que la biotine ait un impact négatif sur les performances car il existe peu de littérature concernant les interactions de la biotine avec la mucine. En revanche, le revêtement de surface biotine-PEG3-amine (Fig. 3b) a un effet positif sur la propulsion des microparticules, augmentant à la fois la vitesse moyenne globale à chaque fréquence supérieure à 5 Hz et dépassant largement la propulsion des microparticules d'avidine après 17 Hz. Le revêtement de surface de biotine chitosane (Fig. 3c) n'a pas eu d'impact significatif sur la propulsion des microparticules, étant presque équivalent en ajustement linéaire et n'ayant qu'une légère augmentation des performances en vitesse à basses fréquences. On s'attendait à ce que la biotine-PEG3-amine et le chitosan biotine aient des effets positifs sur la propulsion des microparticules en raison de leurs effets mucoadhésifs augmentant les interactions des particules de mucus ; mais seule la biotine-PEG3-amine a démontré ce comportement.

Pour mieux comprendre ces résultats, le facteur d'échelle du champ magnétique a été ajusté (\(\beta =0,175)\) de sorte que des champs magnétiques d'amplitude plus faible soient utilisés mais que des fréquences de rotation plus élevées puissent être obtenues à partir des alimentations. Les résultats pour chaque revêtement de surface respectif peuvent être vus sur la Fig. 3d – f pour une plage de fréquences de 5 à 50 Hz avec un \(\beta\) de 0,175. Dans la nouvelle gamme de fréquences, le revêtement de surface de biotine (Fig. 3d) était désormais impossible à distinguer du groupe témoin de revêtement de surface d'avidine, ayant des ajustements linéaires presque identiques. Le groupe biotine-PEG3-amine (Fig. 3e) a maintenant conféré une performance négative, étant globalement plus lent par rapport au groupe témoin avidine. Le revêtement de surface de biotine chitosane (Fig. 3f) affichait désormais une performance de vitesse plus rapide et distincte par rapport au groupe témoin d'avidine, étant presque plus de deux fois plus rapide à l'incrément de 50 Hz.

Enfin, le facteur d'échelle \(\beta\) a de nouveau été réduit à 0,1 et une gamme de fréquences de 10 à 100 Hz a été étudiée. À cette gamme de fréquences, le comportement de vitesse des quatre revêtements de microparticules devient non linéaire (Fig. 3g – i). Une petite région linéaire existe entre 10 et 50 Hz, mais ensuite il y a une vitesse décroissante pour les quatre revêtements de surface. Ce comportement non linéaire est très probablement causé par les fréquences de sortie subies par les microparticules, le champ magnétique tournant de manière asynchrone avec la microparticule. Le revêtement de surface de biotine (Fig. 3g) surpasse désormais le revêtement d'avidine, la vitesse moyenne à chaque point étant supérieure à l'écart type des microparticules d'avidine. Le groupe biotine-PEG3-amine (Fig. 3h) est maintenant impossible à distinguer de la courbe de vitesse des microparticules d'avidine. Le dernier ensemble de microparticules examiné avec un revêtement de biotine chitosane (Fig. 3i) était significativement plus rapide et plus distinct des particules revêtues d'avidine.

Les effets des différents revêtements dépendent extrêmement des caractéristiques du champ magnétique du système de contrôle. Avec des champs magnétiques de forte amplitude et de basse fréquence, la biotine se comporte mal par rapport au cas témoin. Cependant, à mesure que l'amplitude du champ magnétique diminue et que la fréquence augmente, les microparticules revêtues de biotine peuvent être rendues équivalentes ou meilleures que les microparticules d'avidine dans les mêmes conditions. L'inverse de ceci était vrai pour les microparticules enrobées de biotine-PEG3-amine, où sous des fréquences basses et une amplitude de champ magnétique élevée, elles ont surpassé les microparticules d'avidine, mais sous des fréquences élevées et une amplitude de champ magnétique faible, elles se sont comportées pires ou identiques au groupe témoin. Le chitosane de biotine a montré un comportement comparable à celui de la biotine, en augmentant la vitesse et le caractère distinctif des revêtements de surface d'avidine à mesure que l'amplitude du champ magnétique diminuait et que la fréquence augmentait.

Pour mieux caractériser ce comportement, une expérience distincte a été menée pour chaque revêtement chimique, la fréquence de rotation des microparticules étant fixée à 14 Hz, mais le facteur d'échelle du champ magnétique diminuant avec le temps. La figure 4 montre les résultats de cette enquête, où 1/\(\beta\) est tracé à des fins de clarté le long de l'axe des x. Les résultats de vitesse tracés ici sont cohérents avec les attentes décrites dans les Fig. 3a à c. Parmi les courbes tracées, la biotine chitosane a le comportement le plus dynamique, où à de faibles valeurs de 1/\(\beta\), la vitesse est lente, puis s'améliore à des valeurs modérées, avant de finalement diminuer à nouveau à des valeurs plus élevées de 1/\(\beta\) valeurs. La biotine, dans une bien moindre mesure, montre une tendance similaire, avec un pic de vitesse autour de 1/\(\beta\) = 3. Toutes les particules se sont comportées de manière cohérente par rapport aux expériences précédentes. Des fréquences plus élevées n'ont pas pu être explorées en raison des limitations des alimentations (voir la section "Configuration expérimentale").

Facteur de mise à l'échelle de la vitesse par rapport au champ magnétique pour différents revêtements chimiques. La fréquence de rotation des particules étudiées a été fixée à 14 Hz. Les lignes entre les points ont été ajoutées à des fins de visualisation et ne représentent pas des interpolations. Cinq particules d'avidine, trois de biotine, quatre de biotine-PEG3-amine et quatre de biotine de chitosane ont été examinées, chacune ayant au moins trois essais chacune.

Les microparticules ont ensuite été testées pour voyager sur des trajectoires définies par l'utilisateur sous un contrôle de rétroaction contrôlé par ordinateur. Un contrôleur de rétroaction proportionnelle (voir "Configuration expérimentale", "Contrôleur de champ magnétique") a été utilisé pour naviguer dans les microparticules de biotine, de biotine chitosane et de revêtements de biotine-PEG3-amine à travers la solution de mucus. Deux trajectoires ont été effectuées par revêtement de microparticules, leurs vitesses totales étant calculées à chaque image capturée le long des trajectoires. Les microparticules ont été mises en rotation à une fréquence constante de 15 Hz avec un \(\beta\) de 0,5. Les résultats de ces expériences de contrôle par rétroaction sont présentés à la Fig. 5. Toutes les microparticules, invariantes de leurs revêtements de surface, ont pu compléter chaque trajectoire définie par l'utilisateur et produire leurs formes cibles ('A', 'R', 'A' et ' S', ​​'M', 'U'). En plus des trajectoires effectuées par les microparticules, la vitesse totale (composantes x-y) et l'erreur des points cibles sont également tracées. Sur les figures 5a, d, la même microparticule recouverte de biotine a été utilisée pour les deux expériences; en examinant le graphique des vitesses (Fig. 5g), on constate que la vitesse de propulsion est cohérente entre les différentes trajectoires. Il est important de noter ici que la vitesse de cette particule de biotine dépasse largement la valeur prédite de la figure 3a ; ceci est principalement dû au fait que la vitesse indiquée ici représente la vitesse totale (y compris les composantes x et y). Deux particules de biotine chitosane différentes ont été utilisées pour créer les trajectoires «R» et «M» sur les figures 5b, e. En examinant la figure 5h, nous voyons qu'il existe des différences de vitesse significatives entre la particule en (b) et la particule en (e). Enfin, lors de l'examen de deux particules différentes recouvertes de biotine-PEG3-amine (Fig. 5c, f, i), nous constatons que le même écart de vitesse existe entre les microparticules individuelles, certaines étant bien au-delà des valeurs attendues mesurées dans les expériences de vitesse antérieures. . Ces différences de vitesse sont supposées être le résultat de propriétés localisées du mucus; cela a été observé dans le SI de la littérature15 car la propulsion des micropratiques a été mesurée en fonction de la distance des limites de la chambre d'échantillon. Comme cela a été documenté dans la littérature29, le mucus est hétérogène, les glycoprotéines de mucine concentrées étant présentes de manière aléatoire en solution. Bien que seules quelques-unes de ces particules aient été examinées pour cet ensemble d'expériences, nous pouvons voir qu'en plus des revêtements de surface chimiques, les concentrations localisées de mucine jouent également un rôle important dans le comportement de propulsion des microparticules. Cela n'invalide pas les données présentées sur la figure 3, car il s'agissait des données agrégées de plusieurs expériences et essais, mais ajoute plutôt un contexte selon lequel d'autres facteurs pourraient sérieusement influencer la propulsion individuelle des microparticules. Enfin, l'erreur de chaque trajectoire peut être vue sur la Fig. 5j – l, où des pics d'erreur soudains résultent du changement manuel de l'emplacement cible par l'utilisateur vers le point suivant de la trajectoire. Dans tous les cas, les microparticules ont pu atteindre ou s'approcher très près de leurs destinations cibles avant qu'une nouvelle destination ne soit sélectionnée, l'erreur diminuant principalement avec le temps. Sur la base de ces résultats, nous pouvons conclure que le contrôle des microparticules est réalisable, quels que soient les revêtements de surface.

Trajectoires de différentes microparticules enrobées chimiquement. Les sous-figures (a, d) représentent une microparticule enrobée de biotine, (b, e) représentent des microparticules enrobées de biotine chitosane et (c, f) représentent des microparticules enrobées de biotine-PEG3-amine. Les sous-figures (g – i) représentent des graphiques de vitesse pour les microparticules de biotine, de biotine chitosane et de biotine-PEG3-amine, respectivement. Les sous-figures (j–l) représentent l'erreur en microns de chaque emplacement cible au fil du temps pour chaque trajectoire ; des sauts soudains par erreur indiquent quand un nouvel emplacement cible a été sélectionné. Les cercles noirs représentent les emplacements cibles, tandis que la ligne noire en pointillés représente le chemin le plus court entre les points cibles individuels. La barre d'échelle noire est de 10 microns. Les graphiques de vitesse sont affichés sous forme de vitesse totale, y compris les composantes x et y. Les trajectoires en (a) et (d) sont la même particule, tandis que (b,e) et (c,f) ont toutes été réalisées par des microparticules différentes. Les temps pour chaque trajectoire étaient : (a) 62 s, (b) 95 s, (c) 269 s, (d) 71 s, (e) 74 s et (f) 70 s. La boîte blanche autour de chaque microparticule représente une boîte englobante pour suivre le centroïde de la microparticule. Les graphiques de vitesse ont été lissés avec une moyenne mobile de 60 points et les valeurs aberrantes au-delà de 3 × la moyenne de la vitesse ont été fixées à la valeur de vitesse moyenne pour chaque trajectoire respective.

L'expérience finale réalisée était un balayage de champ magnétique statique pour chacun des différents revêtements. Le champ magnétique statique contrôle l'angle d'inclinaison de la microparticule lors de sa rotation et est directement responsable de la commutation entre les deux états de propulsion15 (voir "Configuration expérimentale", "Contrôleur de champ magnétique", Fig. 1b). Au fur et à mesure que le champ magnétique statique est balayé, la microparticule finira par changer de direction de propulsion une fois qu'un certain seuil de champ statique est atteint. Dans ces expériences, le champ statique a été balayé de - 2 à 2 mT par incréments de 0,2 mT. Les microparticules ont été mises en rotation à une fréquence constante de 15 Hz (\(\beta =0,5, 15,87 \ ; \mathrm{mT})\) et propulsées le long de l'axe \(x\). Les résultats des expériences pour chaque revêtement chimique sont présentés à la figure 6. Toutes les microparticules, quel que soit le revêtement, se sont comportées à peu près de la même manière et ont eu des réponses de vitesse similaires à l'incrémentation du champ statique. Les seuls commentaires notables étaient que pour les microparticules examinées, les particules de biotine-PEG3-amine et de biotine chitosane avaient une vitesse accrue près des extrêmes des champs statiques. De plus, le profil de balayage statique des microparticules d'avidine variait considérablement par rapport aux travaux précédents15, étant plutôt similaire en apparence aux profils de balayage statique obtenus à partir de microparticules se propulsant dans une solution de polyacrylamide (PAA). Cet écart provient très probablement de la différence de propriétés des fluides discutée précédemment dans la section « Caractérisation de la solution de mucus ».

Balayages de champ magnétique statique pour l'avidine, la biotine, le chitosane de biotine et les microparticules enrobées de biotine-PEG3-amine. Le champ statique a été balayé de − 2 à 2 mT avec une incrémentation de 0,2 mT. Quatre particules d'avidine, cinq particules de biotine, quatre particules de chitosane et quatre particules de biotine-PEG3-amine ont été utilisées pour produire les résultats en (a–c). Au moins trois essais indépendants ont été effectués par particule. La ligne horizontale noire représente l'abscisse à l'origine. Les lignes entre les points ont été ajoutées à des fins de visualisation et ne représentent pas des interpolations.

Il a été démontré expérimentalement que les revêtements chimiques examinés dans notre enquête affectent le comportement de la vitesse sous la rupture spontanée de la symétrie. Cependant, les différences de champ magnétique et les propriétés du mucus ont également influencé de manière significative le comportement de propulsion. Pour mieux comprendre l'interaction entre ces interactions, cette section tentera de mettre en évidence les raisons possibles de la façon dont les fonctionnalisations chimiques examinées (biotine-PEG3-amine, biotine chitosane, biotine et avidine) pourraient moduler le comportement de propulsion. Dans notre étude, les deux seuls composés examinés qui possédaient des interactions mucoadhésives étaient le polyéthylène glycol (PEG) 24,25 et le chitosan21,23, les revêtements d'avidine et de biotine-avidine n'ayant aucune littérature significative à consulter. Le mécanisme exact derrière la mucoadhésion est encore largement débattu dans la littérature, mais on pense qu'il s'agit d'une combinaison d'interactions électrostatiques, de liaisons hydrogène, de forces de van der Waals, de tension superficielle, d'interpénétration, de difficulté de séparation, de rugosité de surface et de poids moléculaire (MW)33. Bien qu'il existe de nombreuses enquêtes sur ces phénomènes, nous discuterons d'une poignée d'études qui peuvent être liées à nos propres découvertes.

Les interactions mucoadhésives du PEG sont documentées comme étant le résultat de liaisons hydrogène et d'interactions électrostatiques, puisque le PEG est naturellement hydrophile et possède une charge neutre32. Cependant, d'autres propriétés telles que le poids moléculaire se sont également avérées modifier les propriétés de mucoadhésion. Le PEG à faible densité (< 2 kDa), par exemple, a été supposé empêcher l'interpénétration du polymère avec les glycoprotéines de mucine, permettant une pénétration améliorée sans enchevêtrement mucoadhésif avec les fibres de mucine32. Cela a été quantifié lorsque de grandes nanoparticules passives recouvertes de PEG de 100 à 500 nm de diamètre ont été observées dans la glaire cervicale humaine et ont été mesurées comme ayant une diminution de la diffusivité de 4 à 6 fois par rapport à la suspension dans une solution d'eau déminéralisée. Les versions non enrobées de ces nanoparticules de même diamètre en suspension dans le mucus humain avaient une diffusivité de 2 400 à 40 000 × inférieure à celle d'une solution d'eau déminéralisée32. De plus, certaines publications suggèrent que les nanoparticules d'amine pégylée ont subi des charges de surface négatives lors de leur interaction avec les glycoprotéines de mucine, qui varient en fonction de la longueur de la chaîne PEG, avec des chaînes plus longues augmentant les capacités de transport34. On pense que la charge de surface est neutre pour la biotine-PEG3-amine dans nos expériences selon la documentation du fabricant. Le poids moléculaire de la biotine-PEG3-amine utilisée dans nos expériences n'était cependant que de 418,6 Da, il est donc probable que ce revêtement de surface n'ait pas pu créer de mucoadhésion significative lors de certaines expériences, en particulier lorsque la fréquence de rotation était élevée, car il y avait moins de temps disponible. pour adhérer aux fibres de mucine environnantes. Cela pourrait expliquer pourquoi sous un couple élevé et une faible fréquence de rotation, la biotine-PEG3-amine pourrait obtenir une propulsion améliorée par rapport au seul revêtement de surface d'avidine (Fig. 3b), car l'adhérence était plus probable. De plus grandes chaînes de PEG (biotine-PEG36-amine, BroadPharm, MW 1901,3 Da) peuvent entraîner une vitesse de propulsion améliorée dans d'autres paramètres de champ magnétique et seront explorées dans des expériences ultérieures.

Contrairement au PEG, les chercheurs ont rapporté que les facteurs déterminants de la mucoadhésion du chitosane sont attribués au nombre de groupes amino, aux forces électrostatiques, à la liaison hydrogène et à l'hydrophobie35,36. Les interactions entre le chitosane et les glycoprotéines de mucine sont également influencées par le poids moléculaire, la concentration, la force ionique, le pH environnemental et une foule d'autres interactions écologiquement sensibles et interdépendantes37. Ces propriétés ont été exploitées dans des études antérieures avec des nano/microrobots (RMN), où le chitosane chargé négativement était revêtu en surface pour améliorer les capacités de pénétration par des interactions électrostatiques38,39, puisque les glycoprotéines de mucine sont généralement chargées négativement à pH élevé37. Alors que les RMN explorées dans la littérature étaient des particules Janus catalytiques, elles démontrent que le revêtement de surface est bénéfique pour la propulsion active dans des environnements in vivo et a aidé avec des essaims d'agrégats à proximité des emplacements cibles. Comme la biotine-PEG3-amine, le chitosane de biotine utilisé dans notre étude avait une charge neutre, mais possédait également un poids moléculaire de 2 kDa, ce qui est significativement plus grand que la biotine-PEG3-amine (MW 418,6 Da) ou la biotine (MW de 244,31 Da) fonctionnalisations examinées. Bien que le poids moléculaire explique peut-être le comportement de propulsion à haute fréquence et à faible amplitude de champ magnétique (Fig. 3f, i), il n'explique pas les résultats de la Fig. 3c, car cela aurait dû permettre davantage de possibilités de mucoadhésion. Bien que spéculatif, il est possible que certaines interactions non modélisées se produisant entre les microparticules fonctionnalisées en rotation et les fibres de mucine provoquent une résonance qui crée une vitesse accrue, comme ce qui a été observé dans la Fig. 4 pour la biotine chitosane et les microparticules enrobées de biotine à environ 1/\(\beta\ ) = 3.

À notre connaissance, il n'y a pas d'études directes qui quantifient les interactions mucoadhésives de l'avidine ou de la biotine avec les glycoprotéines de la mucine. Cela rend le comportement affiché par les microparticules enrobées de biotine difficile à expliquer. La streptavidine était le groupe témoin, mais même ce revêtement de surface avait un poids moléculaire de 66 kDa, il serait donc étrange que l'ajout de biotine (MW de 244,31 Da) ait une modification des performances sans qu'une sorte d'interaction secondaire explicable ne se produise. Sur la base de nos expériences, le comportement de la biotine est bien corrélé avec le chitosane biotine, où des fréquences plus élevées et des amplitudes de champ magnétique plus faibles ont entraîné une amélioration des performances ; les raisons exactes de ce comportement similaire sont difficiles à déterminer pour le moment.

Même avec la littérature disponible, il est difficile de conclure les facteurs moteurs de la propulsion améliorée subie par nos microparticules enrobées. De nombreuses études réalisées sur le PEG et le chitosane impliquaient des nanoparticules32,40, qui sont des ordres de grandeur plus petits, et d'autres publications impliquent des études expérimentales qui ne peuvent pas être directement liées à notre travail33. Sur la base de ce que nous savons, il semble probable que le poids moléculaire soit un facteur déterminant dans les interactions avec la mucine, les interactions électrostatiques ayant également certaines contributions. Compte tenu de la nouvelle propulsion spontanée des microparticules avec rupture de symétrie, nous soupçonnons que de nombreuses autres interactions restent non modélisées. Etant donné les résultats des Figs. 3 et 4, les relations avec le comportement d'amincissement par cisaillement non linéaire nécessitent également une analyse plus approfondie.

Cette étude a examiné les effets de propulsion de différents revêtements chimiques sur des microparticules magnétiques sous un effet de rupture de symétrie spontanée. Deux composés mucoadhésifs, la biotine-PEG3-amine et le chitosan biotine, ont été fonctionnalisés sur des microparticules enrobées d'avidine et examinés dans une solution de mucine à 4 %. La biotine, un composé non mucoadhésif, et les microparticules enrobées d'avidine déjà étudiées dans la littérature, ont également été examinées à des fins de comparaison. Les résultats de l'enquête ont déterminé que la fonctionnalisation des composés chimiques peut avoir des effets modérés sur la propulsion par rupture de symétrie spontanée, d'autres facteurs tels que les propriétés localisées du mucus et les caractéristiques du champ magnétique (facteur d'échelle de fréquence et de champ magnétique) étant couplés aux performances.

Pour résumer les résultats, dans une plage de basses fréquences avec un facteur d'échelle magnétique élevé, les microparticules revêtues de biotine-PEG3-amine étaient plus rapides que n'importe lequel des autres revêtements examinés. La biotine a eu un impact négatif sur la propulsion et le chitosan biotine a eu des effets marginaux dans les mêmes conditions. Au fur et à mesure que le facteur d'échelle était réduit et que la fréquence de rotation augmentait, les microparticules enrobées de chitosane de biotine devenaient significativement plus rapides que les autres microparticules enrobées, la biotine-PEG3-amine conférant une performance négative et la biotine montrant des performances améliorées. Au fur et à mesure que la fréquence augmentait et que le facteur d'échelle magnétique réduisait, les profils de vitesse devenaient non linéaires en raison des fréquences de sortie, le chitosan biotine étant le plus rapide, suivi de la biotine, de l'avidine et de la biotine-PEG3-amine. L'effet de la modulation du facteur d'échelle magnétique sous une fréquence fixe a également clairement démontré que les microparticules revêtues de chitosane de biotine avaient une réponse de vitesse dynamique qui n'était que faiblement ressentie par le revêtement de biotine-avidine. Toutes les microparticules enrobées pourraient effectuer un contrôle de rétroaction en boucle fermée à l'aide d'un contrôleur proportionnel et pourraient atteindre facilement les emplacements cibles. L'examen de la vitesse des microparticules avec chaque revêtement a révélé deux caractéristiques intéressantes : (1) la même particule aurait une vitesse constante invariante de trajectoire et (2) certaines microparticules ont connu des vitesses de propulsion en dehors des attentes ; supposé être le résultat de glycoprotéines de mucine concentrées agissant comme des barrières à la propulsion des microparticules29,30. Enfin, les expériences de balayage de champ statique ont démontré que les microparticules peuvent basculer entre les modes de propulsion à rupture de symétrie spontanée, quel que soit le revêtement chimique, sans variations de vitesse significatives entre les revêtements. Il est difficile de conclure une relation exacte entre les revêtements chimiques et l'amélioration du comportement de propulsion ; nous supposons à partir de la littérature que ces interactions sont le résultat de différences de poids moléculaire et de force électrostatique entre différents revêtements. De plus, nous pensons que des interactions physico-chimiques inexplorées entre les microparticules actives et les glycoprotéines de mucine contribuent fortement à ces résultats et rendent difficile toute comparaison efficace avec des études impliquant des nanoparticules passives32,40.

En conclusion, les expériences réalisées ici ont démontré que la fonctionnalisation chimique pouvait induire des changements de propulsion à partir d'une propulsion spontanée à rupture de symétrie et que les microparticules enrobées pouvaient se propulser dans le liquide muqueux en vrac. Le travail ici s'est concentré sur des expériences utilisant de la mucine extraite d'estomac de porc, qui a agi comme une allégorie du comportement attendu dans des échantillons de mucus biologique. En fin de compte, des échantillons de mucus prélevés sur des souris et des rats seraient intéressants à explorer dans des travaux futurs, possédant des cellules traces et des compositions chimiques qui n'ont pas été prises en compte dans nos résultats. Cependant, beaucoup plus de travail doit être fait pour comprendre les interactions entre la rupture de symétrie spontanée et les propriétés mucoadhésives d'un point de vue physique. Le revêtement de ces microparticules avec un composé pharmaceutique réel et la mesure de l'absorption dans des environnements in vivo à l'aide d'«essaims» de microparticules, ou l'examen des interactions avec la membrane cellulaire, sont les prochaines étapes pour valider cette plate-forme. La conception de revêtements de surface spécialisés pour générer des propriétés de propulsion spécifiques fournira également de nouvelles approches aux stratégies d'administration de médicaments. On espère que cette étude augmentera l'intérêt pour les mécanismes de propulsion basés sur les micropratiques et contribuera à fournir de nouvelles innovations aux applications d'administration ciblée de médicaments.

Toutes les données associées à ce manuscrit sont disponibles sur demande auprès du Dr Louis William Rogowski.

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Des remerciements particuliers sont adressés à Applied Research Associates (ARA) pour le financement interne de cette entreprise et à la National Science Foundation (CMMI 1761060 et 2123824). Nous remercions également le Dr Jamel Ali, le Dr Xiao Zhang, le Dr James Wilking et le Dr Henry Fu pour leurs énormes contributions à la recherche initiale sur la propulsion à rupture de symétrie spontanée. Matthew Fordham, le Dr Mark McKenna et Michael Hildenbrand de l'ARA sont également remerciés pour leur soutien à ce projet. Nous remercions Gokhan Kararsiz, Yasin Cagatay Duygu et Anuruddha Bhattacharjee pour leur aide lors des expériences.

Associés de recherche appliquée, Albuquerque, NM, 87110, États-Unis

Louis-William Rogowski

Département de génie mécanique, Southern Methodist University, Dallas, TX, 75275, États-Unis

Min Jun Kim

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LWR d'Applied Research Associates a mené toutes les expériences majeures et caractérisé les performances des microparticules. MJK a fourni l'accès à l'équipement de laboratoire et a donné des conseils sur toutes les expériences majeures.

Correspondance avec Louis William Rogowski ou Min Jun Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Rogowski, LW, Kim, MJ Propulsion par rupture de symétrie spontanée de microparticules magnétiques enrobées chimiquement. Sci Rep 12, 17646 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21725-z

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Reçu : 02 août 2022

Accepté : 30 septembre 2022

Publié: 21 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-21725-z

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