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《Science Advances》:利用患者血液3D打印磁性微型机器

《Science Advances》:利用患者血液3D打印磁性微型机器

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-12-07 14:18
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【概要描述】

《Science Advances》:利用患者血液3D打印磁性微型机器

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该文章以3D printed personalized magnetic micromachines frompatient blood–derived biomaterials(利用患者血液3D打印个性化磁性微型机器)为题发表于《Science Advances》,论文下载可点击蓝色链接直接下载查看。

  文章简介  

虽然最近的无线微型机器显示出越来越大的医疗用途潜力,但它们在生物相容性方面的潜在安全风险仍有待减轻。它们通常是由与生理环境本质上不相容的材料构成的。本研究提出了一种个性化的方法,使用患者血液衍生性生物材料作为无线医疗微型机器的主要结构,以减轻生物相容性带来的安全风险。本研究展示了由血浆、血清白蛋白和血小板裂解物的磁性纳米复合材料制成的3D打印多响应微游泳器和微滚轮。这些微型机器响应时变磁场的扭矩驱动可操纵运动,并表现出多个周期的ph响应双向形状记忆行为,用于控制货物交付和释放应用。它们的蛋白质结构使蛋白酶酶降解,从而降低长期毒性的风险。这一个性化微型机器制造策略可以影响各种未来的医疗机器人和由自体生物材料制成的设备,以提高生物相容性和智能功能。

  研究背景  

移动无线微型机器以多样化的设计范围和功能的多功能性广受欢迎,使以前未知的微创和靶向治疗方法成为可能。尽管最近在设计、制造和远程控制策略方面取得了进展,但微型机器与局部活动微环境的交互动力学通常被忽视。在体内长时间部署这种微型机器可能会因其生物相容性而带来巨大的安全风险,因为任何进入或停留在体内的合成材料都存在非生物相容性,因此人体会抵消以消除它。消除机制取决于建筑材料的类型、工程设计和暴露时间以及生物环境的当地条件,这些条件定义了防御级联激活的复杂相互作用动力学。例如,人体可以通过利用成纤维细胞活动在植入材料周围形成纤维组织,或者通过巨噬细胞活动吞没微米或纳米颗粒。形态设计参数可以显著影响与免疫系统初级和次级系细胞的相互作用动力学。除了优化结构和形态设计外,其他工作还集中在结构的材料组成上,通过最大限度地减少与活动环境的相互作用来提高小型移动机器的生物兼容性。为此,人们最初探索了聚乙二醇(PEG)基材料等基质聚合物。它们通过延长纳米颗粒和分子药物的循环时间来提供隐形保护。然而,在接下来的几年里,人们意识到化妆品相关的PEG基聚合物的过度使用导致抗PEG抗体的发展因此降低了PEG在医疗机器人和设备中的潜力。两性离子聚合物可以产生高度离子诱导的水合屏障,被认为是PEG的替代品。然而,这些材料在临床应用中的成功仍然是难以捉摸的,因为有例子表明这些材料也可以在体内产生抗体。在寻找可替代的设计策略时,微游泳者表面覆盖红细胞膜也被证明是一种可行的策略;然而,这种超分子涂层在活环境中的稳定性并不明显。在这些结构中,一旦涂层被磨损,非生物相容性的内部核心需要进一步注意。研究团队已经探索了天然衍生的可生物降解聚合物(如明胶衍生物)作为医用微型机器人分散基质的潜力。然而,关于生物相容性,来自动物或植物来源的材料也可能在易感人群中引起严重的超敏反应。因此,仍需探索医疗机器人和设备材料,以尽量减少与周围生活环境的互动。

研究内容解读

本研究展示了患者衍生生物材料作为以前未识别的机器人材料的潜力。它们对pH值和蛋白酶的固有响应性可以根据特定的基于生物医学应用的设计要求定制个性化的微型机器。虽然目前的研究主要集中在从单个血液采集的生物材料中制作微机器的整体制造,但微机器的组件也可以使用各种生物材料以模块化的方法组装,以增加功能的复杂性。个性化的机器人材料可能会影响各种医疗机器人和设备的设计,从而大大提高生物相容性。然而,随着患者特异性弥散基质的退化,其他成分可能存在潜在的安全风险。例如,在目前的研究中,研究人员使用氧化铁纳米颗粒作为微型机器的磁传感器。美国和欧盟已批准使用氧化铁纳米颗粒静脉给药,以治疗成年慢性肾病患者的缺铁性贫血。因此,它证明了这些纳米颗粒具有可接受的安全水平。然而,像任何其他合成材料一样,这些纳米颗粒也会导致不良的相互作用。因此,本研究旨在最大限度地提高生物相容性,同时承认完全逃避免疫系统监测的挑战,因为其额外的合成成分和可能引发免疫细胞反应的潜在形态特征。此外,当微型机器在体内时,环境中的许多生物大分子,如脂质和蛋白质,会与它的表面相互作用,形成一层称为蛋白质电晕的吸附层。之前的研究表明,巨噬细胞与巨噬细胞的相互作用明显受到蛋白冠的影响。因此,阐明蛋白质冠的形成在个性化的微型机器及其在特定的病理生理环境中的安全功能的影响是至关重要的。

图1 从病人血液衍生生物材料3D打印个性化微型机器的简便策略。从病人身上采集的血液可以被快速、可靠地处理以获得血浆、白蛋白和血小板裂解物。研究人员利用这些生物大分子制备了含有光敏剂孟加拉玫瑰和磁性氧化铁纳米颗粒的微细加工前驱体混合物,用于无线供电和控制。利用基于双光子聚合的3D打印技术实现了微型机械的cad。在3D打印过程中,研究人员在垂直于微型机器旋转轴的方向上施加均匀的磁场B,通过将磁性纳米颗粒自组装成定向链来最大化净磁化强度。

 

图2用牛血清白蛋白、小鼠血浆和人血小板裂解物3d打印的微型机器。(A)用于制备白蛋白微游动体的系统变化激光强度的彩色编码分配。(B)用差分干涉对比(DIC)成像评估3D打印白蛋白微游动体的结构质量。(C)微游泳器的长度作为应用激光强度的函数测量。(D和E) 3D打印蛋白基微型机器的DIC和荧光图像。(F)小鼠等离子体微型机的制造策略。(G) 3D打印的血浆和血小板裂解物微游泳者的DIC和荧光图像。

 

图3基于磁转矩的微型机械执行器与转向。不同设计的白蛋白微游动器的游动轨迹和踏出频率:(A)单螺旋微游动器,(B)双螺旋微游动器,(C)微滚轮。步进频率是通过逐步增加驱动频率来确定的。

 

图4 白蛋白微游泳者的酶降解物。(A)在37°C下,胰酶浓度与胰液相当,在延时DIC成像下观察酶降解情况。(B)在微游泳者织物完全崩溃之前的降解过程中,白蛋白微游泳者的尺寸增加。(C和D)通过暴露的haMSCs在24小时内的生存能力评估白蛋白微游泳者降解产物的生物相容性。(C)暴露的haMSCS的代表性钙黄素乙酰氧基甲酯/乙二聚体1染色荧光图像。(D)根据定量的细胞内腺苷5’-三磷酸来评估暴露的haMSCs的生存能力。

 

图5静止反应形状记忆白蛋白微游泳者。(A) ph响应性白蛋白微游泳者。(B)微游泳者的体积膨胀率作为pH的函数。膨胀率归一化到pH 7时的初始体积。(C)微游泳者对pH值变化的双向形状记忆行为。(D) ph刺激,身体肿胀驱动药物从白蛋白微游泳者释放。(E)微游动者胰蛋白酶刺激的两步药物释放动力学。(F) pH值7时胰蛋白酶介导的货物释放动力学。(G)具有代表性的载药微游泳者荧光图像,显示药物通过酶降解完全释放。

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