Функционирование микророботов
Интеллект магнитных микророботов заключается главным образом в способности внешнего пользователя контролировать их положение и перемещение в нужную область. Однако могут быть введены дополнительные функции путем выбора подходящих материалов и методов для нанесения покрытий или обработки поверхности, которые улучшают функциональные возможности микроустройств.
Здесь исследователи предлагают три стратегии инкорпорации полимеров на микророботов, каждая из которых предусматривает решения конкретных задач,
а именно:
- максимизацию загрузки препарата на аппарат,
- биосовместимость,
- включение механизмов запуска высвобождения препарата.
Регулируя свойства материала, эти покрытия делают микроробот биосовместимым и обеспечивают контролируемое по времени высвобождение лекарственных средств (длительный или быстрый процесс).
Пористые полисульфоновые покрытия
На микроуровне в механизме общественного транспорта доминирует диффузия, которая геометрически зависит от площади поверхности, контактирующей с окружающей средой. Поэтому увеличение этого параметра для микроробота с помощью пористых покрытий является разумным решением для максимизации характеристик высвобождения препарата.
Полисульфон (ПСФ) - высокоэффективный биосовместимый полимер, который использовался в диализных мембранах крови и уже прошел испытания на внутриглазную доставку.
Контролируемые нанопористые покрытия из этого материала могут быть легко получены с помощью селективного травления наночастиц CaCO3, впервые введенных для фильтрации водных дисперсий углеродных наночастиц.
Этот же метод был исследован для функционализации микроустройств при доставке лекарств в глаза, а способность препарата и биосовместимость полученных слоев были проверены по сравнению с толстыми пленками ПСФ. Родамин B (RhB) использовался в качестве модельного препарата, и поглощался в мембраны путем погружения покрытия. Эксперименты по нагружению оценивали количество инкапсулированного РВК в 16,5 мг/см2, что в 15 раз больше по сравнению с их пористым аналогом. Выделение в PBS выявило 4-х часовую кинетику диффузии, включающую больше 40% поглощенного красителя. Учитывая эллипсоидальный микроробот, изготовленный путем сборки двух идентичных эллиптических частей, каждая с большим диаметром 1 мм и малым диаметром 0,5 мм, общая нагрузка RhB на мембрану ПСФ на этом микророботе составит около 130 мг, что близко к показателю 190 мг препарата, переносимого с помощью современного импланта.
Эксперименты жизнеспособности клеток, определенные пролиферацией WST-1 и тестом на цитотоксичность на культуре пролиферирующих фибробластов крайней плоти человека (NDHF), показали лишь небольшое снижение активности клеток на пористых мембранах ПСФ по сравнению с объемными пленками, вероятно, за счет следов растворителя. Пористый ПСФ не содержал клеток, которые прилипали и размножались, как показали анализы флуоресцентных клеток. Учитывая тот факт, что пролиферация клеток сетчатки является причиной глазных заболеваний, таких как пролиферативные витреоретинопатии, это можно считать оптимальным свойством функционального покрытия.
Функциональные полимерные (пиррольные) покрытия
Искробезопасные полимеры (ИБП) представляют собой уникальный класс полимеров, полимеризация которых может быть достигнута посредством гальванического осаждения. Допинговый агент необходим для электроосаждения этих полимеров, а также для стабилизации полимерной основы путем переноса заряда в виде дополнительных электронов.
Полипиррол (ПП) является наиболее широко исследованным среди ИБП благодаря его:
- хорошей механической устойчивости,
- легкости синтеза,
- доказанной биосовместимости в различных средах.
Добавки, входящие в состав ПП, могут перемещаться через матрицу по приложению электрического поля, а также перемещаться между полимерной матрицей и окружающей средой. Такая подвижность легирующих веществ на границе полимер-среды в значительной степени обратима и называется окислительно-восстановительным переключением. Сочетание биосовместимости и окислительно-восстановительного переключения сделало ПП интересным кандидатом для иммобилизации биоактивных молекул на своей поверхности для биосигнализации и доставки лекарств, а также для настройки реакции на различные биологические среды.
В недавней работе в исследовательской группе использовалась модификация поверхностных и объемных свойств ПП, легированного додецилбензолсульфонатом натрия (NaDBS), и включение в электроосажденные пленки PEG, известного противообрастающего материала
для трех целей:
- Увеличить площадь поверхности, используя подходящий электрический потенциал, который может стимулировать процесс допинга.
- Уменьшить адгезию клеток и белков к поверхности микроробота.
- Запуск по требованию высвобождения инкапсулированных лекарственных средств с помощью переменных магнитных полей.
Циклическая вольтамметрия циклически повторяла окисление в анодном (положительный потенциал) или катодном диапазоне (отрицательный потенциал). Крупномасштабная модификация ПП путем сополимеризации его с PEG и использования более низкой концентрации NaDBS позволила включить в матрицу большое количество RhBS. На композите толщиной 6 мкм и площадью поверхности 2,25 см2 количество инкорпорированного RhB оценивалось в 15,5 мкг. Без каких-либо внешних стимулов, 7% этого включены RhB было замечено диффузии из матрицы более 4 ч. Выпуск оказался самым высоким для образцов, не легированных анодно, благодаря наличию трещин и последующему увеличению площади поверхности. Вместо этого было установлено, что катодные образцы являются наименее адгезивными для фибробластов, вероятно, из-за отталкивания заряда между поверхностью и белками матрицы. PEG минимизировал различия в смачиваемости поверхности между различными обработками и обеспечил дополнительное снижение пролиферации клеток.
Применение внешнего переменного магнитного поля на магнитных микророботах с покрытием ПП с помощью полой катушки (200 А при частоте 245 кГц) индуцировало вихревые токи на подложке и повысило температуру около 10С. Повышение температуры привело к заметному увеличению расхода реагентов кислорода, выделяемого из композита. Повторные циклы нагрева и охлаждения не вызвали никаких изменений в адгезии ПП к подложке, позволяя при этом практически полностью освободить загруженный модельный препарат.
