从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器

从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器
一个简单的策略,3D打印个性化的微型机器从患者血液衍生生物材料。从病人身上采集的血液可以快速、稳健地处理以获得血浆、白蛋白和血小板裂解物。我们利用这些生物大分子制备了含有光敏剂玫瑰红和磁性氧化铁纳米粒子的微制造前驱体混合物,用于无线供电和控制。然后通过基于双光子聚合的3D打印技术实现微机械的cad。在3D打印过程中,我们在垂直于微机械旋转轴方向上施加均匀的B→磁场,通过将磁性纳米粒子自组装成定向链,最大限度地实现净磁化。资料来源:《科学进展》,10.1126/sciad .abh0273

无线微梭有扩大了应用范围在生物医学中,尽管它们相对于最小的生物相容性的风险需要降低。大多数材料在生理环境中不具有内在的生物相容性。在一份新的报告中科学推进, Hakan Ceylan和一个物理智能、生物医学工程和医学的国际研究团队提出了一种个性化的方法,将患者血液来源的生物材料作为影响生物相容性的基本构造织物。Ceylan等人利用血浆、血清白蛋白蛋白和血小板裂解液的磁性纳米复合材料开发了3D打印多反应微游泳器和微滚子,可对时变磁场作出反应,以控制货物的运送和释放。蛋白质纤维还允许酶降解,以降低长期毒性的风险。由此产生的产品可以影响许多未来医疗机器人和自体生物材料设备的发展,以提高生物医学应用中的生物相容性和智能功能。

无线大

移动和无线的微型机器微创靶向治疗在医学上。尽管他们先进的设计,制造和远程控制,他们的交互动力学通常是未知的。因此,将这种微型机器长时间部署在体内可能会造成重大的安全风险抵消努力消除产品。消除取决于建筑材料、暴露时间和工程设计,可以激活体内的防御级联。把…的风险降到最低细胞毒性和免疫应答,锡兰等。提出了一种具有患者血液衍生的生物致血压的个性化方法,形成生物相容性微血。个性化的微机器开发策略可以影响未来各种医疗机器人和设备的设计,以提高生物相容性和智能功能。

概念和制造过程

在实验期间,Ceylan等人。专注于血浆,白蛋白和血小板裂解物等血液成分,以开发微鼠。使用双光子聚合基于三维(3D)打印技术,该团队制造了各种具有复杂特征的医用微型机器。这种方法允许高度复杂的三维计算机辅助设计,具有亚微米的特征。科学家们通过创造一种孟加拉玫瑰和磁性氧化铁纳米颗粒的前驱体混合物,利用采血材料开发出了微型机器。然后,他们将这种制造方法应用于普通和有前途的医疗微型机设计,包括单螺旋microWimmers.microrollers在微观长度尺度上。该团队在3D打印过程中优化了激光强度,开发了具有不同激光强度的双螺旋微游泳阵列,然后在荧光显微镜下观察高保真打印过程。

从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器
基于磁力矩的微型机械驱动和转向。不同设计的白蛋白微游泳者的游泳轨迹和步出频率:(A)单螺旋微游泳者,(B)双螺旋微游泳者,(C)微滚轮。步进频率是通过逐步增加驱动频率来确定的。资料来源:《科学进展》,10.1126/sciad .abh0273
磁驱动引导微机械和生物降解性能

Ceylan等人使用定制的旋转磁场亥姆霍兹线圈在倒置显微镜上安装电磁系统,观察单螺旋和双螺旋微结构如何将旋转运动转化为平移运动不对称身材.同时,微辊将旋转转化为定向移动防滑涂层接触与表面。通过将负载到微机器中的磁性纳米颗粒增加,Ceylan等。促进微磁素的快速运动。除此之外,医疗微鼠的生物降解性还形成了用于器件的长期生物相容性的必要方面。例如,在促进微鼠后,它们应该理想地溶解在无毒可溶性化合物中,因为延长了非稀释的微血的存在可能导致慢性炎症.为了完成这一点,Ceylan等人。用过的胰蛋白酶作为一个模型蛋白酶,或降解酶,以了解微机械的酶降解性。科学家们注意到这种降解机制,并观察了白蛋白微泳剂在不同胰蛋白酶浓度下如何经历快速膨胀,然后完全溶解其组成的水凝胶网络。

细胞毒性和pH响应形状记忆行为

从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器
白蛋白微游泳器的酶降解。(A)在延时DIC成像下观察到胰酶在37℃下的酶降解,胰酶的浓度与胰液相当。(B)在微游泳织物完全坍塌之前,白蛋白微游泳者在降解过程中尺寸的增加。(C和D)白蛋白微游泳器降解产物的生物相容性,通过暴露24小时haMSCs的生存能力评估。(C)具有代表性的钙黄素乙酰氧基甲酯/乙啶同二聚体-1染色的haMSCs荧光图像。(D)暴露的haMSCs的活力评估基于定量的细胞内5 ' -三磷酸腺苷量。资料来源:《科学进展》,10.1126/sciad .abh0273

该团队通过将细胞暴露于白蛋白微泳和酶降解,进一步研究了微机械的生物相容性。细胞毒性试验检测细胞膜的完整性和代谢活性,以表明敏感的干细胞如何不会产生急性毒性反应。由于蛋白质还含有多种氨基酸和羧酸基团,它们可以动态改变相对于环境pH值的质子态,Ceylan等人研究了pH范围为2.5至12的白蛋白和血小板溶解微游泳器,并注意到当pH恢复到初始值时,白蛋白微游泳器表现出形状记忆行为。产品是双向的形状记忆行为对可能发生在微环境中的生理相关的极端pH变化的响应的稳定性和稳健性。

从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器
3D打印微型机器从牛血清白蛋白,小鼠血浆,和人血小板裂解物。(A)用于制造白蛋白微游泳器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打印白蛋白微游泳器的结构质量。(C)微游泳器的长度作为应用激光强度的函数。(D和E) 3D打印白蛋白微机的DIC和荧光图像。(F)小鼠等离子体微型机的制造策略。(G) 3D打印血浆和血小板裂解液微游泳者DIC和荧光图像。资料来源:《科学进展》,10.1126/sciad .abh0273

Stimuli-responsive释放货物

医用微型机的药物输送应用也需要按需和按目标治疗释放.例如,能够响应外部触发器和环境变化的智能材料系统可以改善受控货物释放。因此,以pH和酶敏感蛋白为基础的微游泳器作为环境响应的药物传递和释放平台。概念证明,Ceylan等人加载一个荧光小分子药物模拟和深红色染料的多孔网络白蛋白microswimmers然后测试释放的分子探测microswimmer的荧光强度相对于pH值变化和生理微环境中的酶促降解。该团队确定了对pH值和蛋白酶的固有响应,为特定的生物医学应用定制个性化的微型机器。以这种方式开发的个性化机器人材料可以影响许多医疗机器人和设备的设计,提高生物相容性。

从病人血液中提取的生物材料制成的个性化三维磁性微型机器
刺激反应型形状记忆白蛋白微游泳器。(A) ph响应性白蛋白微游泳器。(B)微游泳器的体积溶胀率随pH的变化。在pH为7时,溶胀率归一化为初始体积。(C)微游泳者对pH变化的双向形状记忆行为。(D) ph刺激,身体肿胀驱动的药物释放从白蛋白微泳。(E)胰蛋白酶刺激的两步药物释放动力学从微泳。(F) pH = 7时胰蛋白酶介导的货物释放动力学。(G)载药微泳体具有代表性的荧光图像,显示药物通过酶降解完全释放。资料来源:《科学进展》,10.1126/sciad .abh0273
外表

通过这种方式,哈坎锡兰和同事们开发了一种新的基于蛋白质的微机器,具有pH敏感性和酶降解性的性质。它们将氧化铁纳米粒子装载为微磁素的磁传感器可接受的安全水平.这项研究旨在最大限度地提高材料的生物相容性,同时承认由于其合成结构而规避免疫系统的挑战。进一步的调查也将帮助他们预防吞噬作用在病理生理学背景下的微型机器。


进一步探索

金属和塑料的微型机器人可以彻底改变医学领域

更多信息:Hakan Ceylan等人,3D打印个性化磁性微型机器从患者血液来源的生物材料,科学推进(2021)。DOI: 10.1126 / sciadv.abh0273

Thomas Malachowski等人,工程纳米粒子克服免疫障碍以增强药物递送,工程再生(2020).DOI: 10.1016 / j.engreg.2020.06.001

Andre E. Nel等人,理解纳米生物界面的生物物理化学相互作用,自然材料(2009)。DOI: 10.1038 / nmat2442

期刊信息: 自然材料 科学推进

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引用:从患者血液来源的生物材料中提取的个性化3d磁性微机械(2021年9月22日),于2021年9月27日从//www.tnp-china.com/news/2021-09-personalized-d-magnetic-micromachines-patient.html获得
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