Las nanopartículas tienen aplicaciones como agentes terapéuticos para enfermedades articulares como la osteoartritis. Pero el papel de la difusión de nanopartículas en el líquido sinovial o el líquido dentro de la articulación no se comprende completamente. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Mythreyi Unni y un equipo de investigación en ingeniería química e ingeniería biomédica en los EE. UU. Utilizaron la relación de Stokes-Einstein para describir la difusión rotacional y traslacional de nanopartículas recubiertas de polímero en soluciones de ácido hialurónico y líquido sinovial en reposo. Los resultados proporcionaron información sobre el comportamiento de difusión de las nanopartículas inorgánicas recubiertas de polímero en agregados complejos de entornos biológicos que suelen estar presentes en la articulación.

Nanopartículas en el laboratorio

Las nanopartículas son agentes terapéuticos y de diagnóstico y los investigadores buscan comprender su difusión en fluidos biológicos, clave para las aplicaciones clínicas. Las partículas pueden diseñarse para controlar y tratar la osteoartritis, aunque quedan por comprender sus funciones de difusión en los líquidos sinoviales. En este trabajo, Unni y col. estudió la difusión traslacional y rotacional de coloidal, nanopartículas estables y neutras en líquido sinovial bovino y en soluciones de ácido hialurónico, el último de los cuales constituye un componente importante del líquido sinovial en la articulación. Las partículas pueden transferirse en un fluido por convección y difusión basándose en fluctuaciones térmicas aleatorias descritas a través de su difusividad traslacional y rotacional como una función de las propiedades de las partículas y los fluidos. Sin embargo, se han producido desviaciones de las relaciones de Stokes-Einstein en tales nanopartículas en solución. Por lo tanto, falta la difusión de nanopartículas en soluciones biológicas y polielectrolíticas y esta información puede constituir una guía esencial para diseñar nanopartículas para aplicaciones biomédicas. incluida la terapia y el diagnóstico de enfermedades articulares. Unni y col. utilizó mediciones de espectroscopía de correlación de fotones de rayos X y mediciones de susceptibilidad magnética dinámica y durante los experimentos, aseguraron la estabilidad coloidal de las nanopartículas revistiéndolas con polietilenglicol. Los resultados del estudio proporcionaron información sobre el comportamiento de las nanopartículas recubiertas de polímero en entornos biológicos.

Unni y col. utilizaron nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas de polímero de diferentes tamaños hidrodinámicos durante el estudio. Las nanopartículas mantuvieron un diámetro de núcleo inorgánico y un diámetro hidrodinámico, que el equipo midió mediante microscopía electrónica de transmisión. Los investigadores utilizaron nanoprecipitación flash para preparar nanopartículas compuestas más grandes y estudiaron sus difusividades rotacionales en el líquido sinovial bovino con estudios de caracterización reológica. Usando mediciones de dispersión de rayos X de ángulo pequeño, evaluaron la estructura y el estado de agregación de las nanopartículas en el líquido sinovial. Unni y col. luego estudió las nanopartículas en el líquido sinovial utilizando espectroscopía de correlación de fotones de rayos X, lo que sugirió la difusión browniana de las partículas. Cuando sometieron los materiales a campos magnéticos alternos, respondieron mediante la rotación de partículas físicas, conocida como relajación browniana, que siguió el modelo de Debye. Las mediciones de susceptibilidad magnética dinámica de las nanopartículas recubiertas en el líquido sinovial mostraron cómo los sustratos más grandes estaban más restringidos sustancialmente en el líquido. A continuación, el equipo estudió la difusión de nanopartículas en soluciones de ácido hialurónico, el componente principal del líquido sinovial.

Difusión de nanopartículas en soluciones de ácido hialurónico

El equipo utilizó además ácido hialurónico y los caracterizó mediante reometría y observó un comportamiento newtoniano aparente para soluciones con concentraciones por debajo de 1 mg / ml. Luego, el equipo realizó mediciones de espectroscopía de rayos X de dispersión de ángulo pequeño para estudiar la estructura y el estado de agregación de las nanopartículas en soluciones de ácido hialurónico y en agua. Mientras que las nanopartículas compuestas permanecieron intactas en el agua, el equipo observó una polidispersidad más amplia para las nanopartículas en soluciones hialurónicas. La viscosidad a nanoescala era distinta de la viscosidad macroscópica de bajo cizallamiento determinada por reometría. Los coeficientes de difusión rotacional también difieren para los dos tipos de nanopartículas, donde los valores de las nanopartículas más pequeñas eran menores que los de las partículas compuestas más grandes. Basado en el comportamiento de las nanopartículas, el equipo planteó la hipótesis de que la viscosidad media circundante era mucho mayor que la viscosidad del disolvente, que se alineó con las investigaciones de Albert Einstein sobre la teoría del movimiento browniano. Sin embargo, en 1942, El físico Maurice L. Huggins modificó el modelo de Einstein para describir la viscosidad de las soluciones poliméricas, y la hipótesis presentada en este trabajo por Unni et al. de acuerdo con el modelo modificado.

panorama

De este modo, Mythreyi Unni y sus colegas presentaron un enfoque reduccionista para comprender el transporte de nanopartículas en un lugar confinado y abarrotado, mediante el estudio de la difusión de nanopartículas en el líquido sinovial y en las soluciones de ácido hialurónico que normalmente constituyen el líquido articular. La composición y las propiedades reológicas del fluido pueden variar con la edad y la enfermedad para influir en la difusión de las nanopartículas. Se deben utilizar estudios adicionales con nanopartículas de un rango de tamaño más amplio y recubrimientos para evaluar el transporte de nanopartículas en cartílago poroso y sinovial multicapa. El equipo describió el coeficiente de difusión de las nanopartículas recubiertas de polímero utilizando la relación de Stokes-Einstein y siguió con descripciones de la viscosidad del medio utilizando un modelo desarrollado por Huggins. El trabajo mostró cómo el comportamiento de difusión de nanopartículas recubiertas de polímero en fluidos biológicos y sus constituyentes puede guiar los diseños de nanopartículas en biomedicina.

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