Romper un huevo para liberar su yema requiere aplicar una fuerza externa (como ser golpeado contra el borde de un tazón) para vencer la fuerza de la cáscara del huevo. Similar, la entrega de biomoléculas terapéuticas contenidas en microcápsulas en el cuerpo humano requiere que sus recipientes se rompan después de inyectarse, para que la carga se pueda entregar en el lugar correcto en el momento correcto. Se pueden utilizar varios estímulos externos para desencadenar la liberación de moléculas encapsuladas, uno de los más fáciles es la presión osmótica, ya que simplemente requiere la introducción de agua para hacer que las microcápsulas se hinchen y revienten. Sin embargo, para crear suficiente presión interna para romper la cubierta de la cápsula, Se deben agregar grandes cantidades de un agente osmótico a la microcápsula para atraer el agua. y la alta presión de explosión resultante podría dañar los tejidos o causar coágulos de sangre.

Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) han desarrollado una solución a este obstáculo. quien ideó una forma de crear microcápsulas con caparazones de grosor desigual que les permite estallar a presiones osmóticas más bajas, haciéndolos más seguros para su uso en el cuerpo humano. La investigación se publica en Pequeña .

"La parte más débil de nuestros caparazones es 40 veces más delgada que la parte más fuerte, lo que hace que sea mucho más fácil para ellos romper y liberar su carga, "dijo la primera autora Weixia Zhang, Doctor., becario postdoctoral en el Wyss Institute y SEAS. "Por otro lado, Estas microcápsulas son extremadamente duraderas y no tienen fugas si no están expuestas a una presión osmótica elevada. haciéndolos muy estables y capaces de almacenar su contenido durante mucho tiempo ".

Para fabricar sus microcápsulas no homogéneas, Los investigadores utilizaron un dispositivo de microfluidos capilares de vidrio que empleaba un método de agua en aceite en agua para encapsular una solución de agua que contenía sacarosa. un agente osmótico, dentro de una capa de monómeros suspendidos en aceite. Cuando los monómeros se exponen a la luz ultravioleta, reaccionan entre sí y se reticulan para formar un sólido, capa de polímero alrededor de la solución de sacarosa. Variando las velocidades a las que la solución de sacarosa "carga" y la "cáscara" de aceite de monómero fluyen a través del dispositivo, el equipo descubrió que podían introducir variaciones en el grosor de las conchas que se formaban, creando cápsulas torcidas con paredes más gruesas en un lado y más delgadas en el otro.

Luego, los investigadores sometieron sus microcápsulas a un choque osmótico al agregar agua, que se difundió en las microcápsulas y las hizo comenzar a hincharse en la parte más delgada de la cáscara. Después de unos 20-30 minutos, la cáscara adelgazada se agrietó, formando una abertura que tenía decenas de micrómetros de tamaño, que es lo suficientemente grande para que la mayoría de las biomoléculas y nanomateriales se liberen con éxito. El aumento de la diferencia entre la parte más delgada y la más gruesa de la cáscara condujo a un mayor número de microcápsulas reventadas, confirmando que el grado de falta de homogeneidad afectó la eficacia de la liberación de la carga.

"Ser capaz de crear microcápsulas con un alto grado de inhomogeneidad alterando el grosor de la carcasa durante el proceso de fabricación y liberar la carga con una presión osmótica mucho menor abre una nueva aplicación en liberación controlada, que es muy importante para la administración de fármacos en medicina, así como otros campos, "dijo el co-primer autor Liangliang Qu, Doctor., becario postdoctoral en el Wyss Institute y SEAS.

Para probar la durabilidad de las microcápsulas, el equipo encapsuló un polímero fluorescente dentro de ellos y midió el cambio en la intensidad fluorescente en sus núcleos a lo largo del tiempo. No observaron cambios en la intensidad durante 30 días después de la encapsulación, demostrando que las microcápsulas retuvieron su carga sin fugas. Es más, el tamaño del polímero es mucho más pequeño que la mayoría de las biomoléculas, como anticuerpos y enzimas, lo que sugiere que las cáscaras podrían usarse para proteger y almacenar biomoléculas o medicamentos durante períodos prolongados.

Finalmente, los investigadores co-encapsularon una proteasa (una enzima que descompone las proteínas) y sacarosa dentro de sus microcápsulas durante 37 días, luego se aplicó un choque osmótico para desencadenar la liberación de su contenido. La proteasa retuvo el 91% de su actividad original, demostrando que este método de almacenamiento no afectó significativamente su función biológica.

"En comparación con otros portadores de liberación controlada, como las celdas, nanopartículas, o vesículas, este sistema es muy versátil, estable, y personalizable, convirtiéndola en una alternativa atractiva para la entrega segura y eficaz de fármacos y otras biomoléculas para la salud humana y otras aplicaciones, "dijo el autor correspondiente David Weitz, Doctor., miembro de la facultad principal del Wyss Institute que también es profesor de Física y Física Aplicada Mallinckrodt en SEAS.

El equipo continúa desarrollando sus microcápsulas optimizando el material de la cubierta para disminuir aún más la presión osmótica requerida para romperlas. Planean aplicar primero su tecnología a la entrega de medicamentos, como anticuerpos terapéuticos, con el objetivo de poder utilizar el alto contenido de agua del cuerpo humano para actuar como desencadenante de ruptura después de la inyección.

"Este proyecto es un gran ejemplo de cómo las soluciones más simples a menudo pueden ser mejores que las complicadas, como la única entrada necesaria para reventar las microcápsulas es la presión mecánica, en lugar de químicas complejas o interruptores moleculares, "dijo el coautor Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien es el director fundador del Instituto Wyss, el profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, y Catedrático de Bioingeniería en SEAS.