Mantenimiento de la integridad del enjambre en los cruces objetivo. (A) Esquemas que ilustran el uso de enjambres de partículas magnéticas para bloquear las uniones dentro de una región objetivo. (B) Análisis esquemático de las fuerzas ejercidas sobre las partículas de punta. Los círculos marrones indican partículas magnéticas. Los círculos punteados negros denotan las partículas de la punta. Las fuerzas de interacción magnética y su fuerza de interacción resultante se indican mediante flechas azules finas y una flecha azul gruesa, respectivamente. La fuerza de arrastre fluídico y la fuerza de reacción se indican mediante flechas rojas gruesas. γ es el ángulo de ramificación de la unión. θ es el ángulo entre la fuerza de interacción magnética y el eje x. Las configuraciones de partículas en uniones con diferentes ángulos de ramificación se muestran en los recuadros verdes. Las regiones moradas representan las paredes de las uniones. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Los agentes microrobóticos pueden formar enjambres de administración de fármacos dirigidos para mejorar los análisis de imágenes. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Junhui Law y un equipo de investigadores en ingeniería mecánica e industrial, inteligencia artificial e ingeniería biomédica de la Universidad de Toronto y la Universidad de Shanghai, China, se desviaron del proceso típico de la terapia con medicamentos para facilitar la embolización en enjambre. El proceso es una técnica médica utilizada para bloquear los vasos sanguíneos durante el tratamiento de trombosis y malformaciones arteriovenosas. Los enjambres de partículas magnéticas ofrecen una embolización más precisa y pueden mantener la integridad del enjambre dentro de una región objetivo en condiciones de flujo fluídico. Sobre la base de experimentos en canales de microfluidos, tejidos ex vivo y riñones porcinos in vivo, Law y el equipo validaron la eficacia de la estrategia propuesta para la embolización selectiva.
Enjambres colectivos
Los comportamientos colectivos son omnipresentes en la naturaleza, donde los bancos de peces y los enjambres de insectos pueden realizar tareas complejas. Los bioingenieros se inspiran en la inteligencia colectiva de los enjambres naturales para desarrollar una variedad de microrobots para diversas aplicaciones. En este trabajo, los investigadores desarrollaron una estrategia de actuación para integrar enjambres de partículas magnéticas para embolizar con precisión el flujo sanguíneo dentro de una región específica para la embolización selectiva en un modelo animal. El trabajo proporcionó una visión más profunda y un estudio de prueba de concepto para comprender el comportamiento del enjambre de microrrobóticos en condiciones fisiológicas.
Integridad del enjambre durante el flujo
El equipo de investigación logró la embolización selectiva mediante la generación de enjambres microrobóticos a pedido para bloquear los vasos sanguíneos dentro de una región específica. Utilizaron partículas superparamagnéticas con diámetros más pequeños que los glóbulos rojos y blancos para su distribución en los capilares sanguíneos. Los investigadores recubrieron las micropartículas con trombina para convertir el fibrinógeno soluble en sangre en mallas de fibrina para contener glóbulos rojos con las partículas.
El equipo notó cómo los enjambres se dividían bajo el flujo debido a las débiles interacciones entre las partículas. El equipo de investigación mantuvo la integridad del enjambre dentro de los canales de microfluidos en condiciones fisiológicamente relevantes, incluida la ramificación de los vasos sanguíneos y el flujo sanguíneo. Luego modelaron un enjambre en un cruce para comprender las relaciones entre el ángulo de ramificación, la velocidad de flujo y la integridad del enjambre en relación con la intensidad del campo magnético. Mientras que los enjambres se dividían cuando la intensidad del campo magnético aplicado era menor que el valor calculado, los enjambres mantenían su integridad en una unión cuando la intensidad del campo magnético aplicado era mayor que el valor calculado.
Validaciones experimentales del modelo. (A y B) La relación entre la fuerza del campo magnético crítico Bcrítica y la tasa de flujo en las uniones con diferentes ángulos de ramificación γ en sangre entera porcina y PBS, respectivamente. (C y D) La integridad de los enjambres cuando la fuerza del campo magnético aplicada fue menor y mayor que Bcrítica, respectivamente. Barra de escala, 20 μm. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Los científicos buscaron desarrollar un campo magnético de baja intensidad para la embolización selectiva a fin de degradar la integridad de los enjambres y evitar bloqueos no deseados. Mantuvieron una estrategia de actuación para la integridad sostenida del enjambre dentro de una región objetivo. A pesar de cambiar las distribuciones del campo magnético, el equipo mantuvo una alta intensidad de campo magnético dentro de la región objetivo. Los enjambres que se formaron fuera de la región objetivo encontraron campos magnéticos de baja intensidad y, por lo tanto, no pudieron mantener su integridad. Los científicos validaron la estrategia de actuación propuesta a través de experimentos.
Embolización en canales microfluídicos y estudios de prueba de concepto
El equipo de investigación probó la efectividad del uso de enjambres de partículas magnéticas para bloquear el flujo sanguíneo y midió la tasa de flujo sanguíneo en diferentes condiciones. Aseguraron la visibilidad bajo microscopía óptica al diluir el flujo sanguíneo porcino en canales microfluídicos con 120 0 ángulos de ramificación. El equipo midió la tasa de flujo calculando la velocidad de los glóbulos rojos para comprender la tasa de flujo promedio, que ascendió a un promedio de 84 µm/s. Los científicos demostraron una estrategia de actuación junto con partículas magnéticas recubiertas de trombina para la embolización selectiva con un bloqueo involuntario mínimo más allá de una región objetivo. Luego llevaron a cabo experimentos de prueba de concepto en un vaso sanguíneo porcino ex-vivo utilizando enjambres microrobóticos y tomaron imágenes de un vaso sanguíneo con un ángulo de ramificación de 30 grados a través de un sistema de imágenes por ultrasonido. Además, inyectaron partículas magnéticas recubiertas de trombina en el vaso sanguíneo a una velocidad de flujo de 80 µm/s y notaron un punto brillante en la unión que indicaba la formación de un enjambre para confirmar la embolización del vaso sanguíneo a través del enjambre. Después de estudios ex vivo, el equipo probó la estrategia propuesta para la embolización selectiva en riñones porcinos in vivo para realizar la embolización selectiva.
Estrategia de actuación para el mantenimiento selectivo de la integridad del enjambre y validación experimental. (A) Ilustración esquemática de la estrategia de actuación propuesta. Los círculos negros indican la región objetivo. Las bobinas marrón y blanca son las bobinas dominante y auxiliar, respectivamente. Las líneas negras separan el espacio de trabajo en regiones con intensidades de campo magnético superiores e inferiores a Bcrítico. La punta de flecha negra indica la dirección del flujo. (B) Ilustración esquemática de las regiones objetivo y no objetivo descritas en la búsqueda de fuerza bruta. El círculo negro indica la región objetivo. El radio rQ y la posición central PQ de la región objetivo están etiquetados. Las subregiones no objetivo U1, U2, U3 y U4 se resaltan con diferentes colores. (C) Tasa de éxito experimental de la estrategia propuesta para mantener la integridad del enjambre en tres casos. Los datos experimentales en cada pequeño cuadrado se midieron a partir de canales microfluídicos independientes y se repitieron cuatro experimentos para determinar la tasa de éxito. Los círculos negros indican las regiones objetivo. (D) Distribución espacial experimental de ubicaciones con una tasa de éxito del 75% y superior en tres casos. El recuadro de la izquierda muestra un cruce vacío que indica que los enjambres se dividieron, y el recuadro de la derecha muestra un enjambre que se mantuvo con éxito en un cruce. Los círculos negros indican las regiones objetivo. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolización en canales microfluídicos. (A) Diferentes condiciones para reducir el flujo sanguíneo. Los caudales se midieron cuando las condiciones se mantuvieron activadas durante 10 min. Las barras de error representan la DE de 10 intentos. Los MP denotan partículas magnéticas. (B) Imagen de microscopía electrónica de barrido de un enjambre de coagulación. Para la visualización, los glóbulos rojos porcinos, las mallas de fibrina y las partículas magnéticas se colorearon artificialmente en rojo, verde y azul, respectivamente. Barra de escala, 2 μm. (C) Resultados experimentales de embolización en microcanales utilizando partículas magnéticas recubiertas de trombina. Barra de escala, 20 μm. (D) El caudal de entrada de sangre porcina diluida en los canales de microfluidos (caudal medio:83 μm/s). (E) Velocidad de flujo medida experimentalmente en los canales de microfluidos en diferentes condiciones de embolización. Los caudales se midieron cuando las condiciones se mantuvieron activadas durante 10 min. Para (D) y (E), los datos en cada pequeño cuadrado se midieron a partir de canales microfluídicos independientes y se realizaron tres experimentos para obtener un caudal promedio. Los círculos negros indican la región objetivo. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Embolización en órganos porcinos. (A) Formación de un enjambre de coagulación en la unión de un vaso sanguíneo porcino ex vivo. Las líneas discontinuas rojas delimitan el vaso sanguíneo y la unión, y la línea discontinua amarilla delimita el enjambre de coagulación. La flecha verde muestra la dirección del flujo de microburbujas. Barra de escala, 10 mm. (B) Esquema que ilustra el sitio de inyección de un epiplón porcino ex vivo en experimentos. Las flechas negras indican la dirección del flujo. (C) Embolización selectiva en la red de vasos sanguíneos de un epiplón porcino ex vivo con la región objetivo centrada en (5 mm, −5 mm). Los círculos negros indican la región objetivo, las flechas rojas indican la dirección del flujo sanguíneo y las flechas azules indican la dirección del flujo del tinte azul. (D) Imagen de microscopía óptica que muestra un enjambre formado en la unión objetivo de un epiplón porcino ex vivo. Las líneas discontinuas rojas delimitan el vaso sanguíneo y la unión, y las líneas discontinuas amarillas delimitan el enjambre de partículas magnéticas. Barra de escala, 200 μm. (E) Resultados de la angiografía por sustracción digital de riñones porcinos in vivo en diferentes condiciones de embolización. Los círculos de puntos naranjas indican las regiones de destino. Barra de escala, 50 mm. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm5752
Perspectiva
De esta forma, Junhui Law y sus colegas desarrollaron una estrategia de actuación para regular los enjambres de partículas magnéticas para la embolización selectiva. Los enjambres de microrobóticos formados a través de la estrategia de actuación proporcionan una posible solución para la embolización selectiva en la clínica para evitar complicaciones que surjan a través de mecanismos de embolización no selectivos.
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