2020年7月21日功能
交互设计师微型机器人和免疫系统之间的动态
移动微型医疗机器人现在可以在实验室工程等广泛应用于个性化疾病治疗靶向药物输送。结构设计时,工程师们的目标是最小化物理与细胞相互作用的免疫系统通过优化设备的形态(形状)及其表面化学。因此重要的是要了解这些参数的贡献之间的相互作用对有效,面向目标的运动和低免疫原性。在一份新的报告中发表科学的机器人,Immihan Ceren Yasa和物理研究团队智慧,马克斯普朗克研究所的医学和工程学Koc大学智能系统和在德国和土耳其,研究磁相互作用的可操纵的双螺旋microswimmers。
一个合成微型机扑集成了一个生物微生物在一个非生物的身体探索微生物耦合固有的机械驱动的特性,传感和运动。合并后的架构可以利用生物燃料的微环境来执行特定任务,如货物交付、靶向治疗和操作。这个工作的微型机器人改变螺旋形状结合小鼠巨噬细胞细胞系(一种吞噬细胞/白细胞)。巨噬细胞和脾细胞(两种类型的白细胞)生活微环境认识到合成微型机器人和引起免疫反应基于螺旋转microswimmers的数字。工作显示,同时考虑结构优化的意义运动性能和免疫细胞的相互作用在医学微型机扑发展。macrophage-microswimmer混合动力车提供一个独特的工程合成微型机器人的发展,结合合成microswimmers的流动和巨噬细胞的免疫调节能力有针对性的免疫治疗应用。
immunobots的结构设计和参数
在他们通往目标组织,microswimmers必须克服许多障碍,包括血脑屏障、粘膜和的内皮能提醒他们的存在是“威胁”的免疫系统。Yasa等人研究了磁microswimmers的交互细胞免疫系统的定期测试和设计基准方法未来生物医学机器人的设计。团队介绍了合成微型机扑作为“immunobot”——磁驱动和生物合成磁激活巨噬细胞的吞噬,螺旋microswimmer。在实验期间他们选择microswimmers两年期和10-turn螺旋和微型印刷在三维(3 d)使用双光子聚合。
在三维打印,他们使用pre-polymer解决方案聚乙二醇丙烯酸。制成(PEGDA)和剂成分和磁化印刷结构通过sputter-coating 100 - nm厚镍和50 nm厚金电影,其次是thiol-modified挂钩表面修改。表面改性最小化意外化学与免疫系统相互作用,允许科学家解剖的影响结构性独自在免疫反应的影响。Yasa等人应用旋转磁场施加控制和推动microswimmers螺旋轴扭矩,torque-based磁推进带领microswimmers沿着指定的轨迹。在缓冲测试immunobots的游泳表演后的解决方案,他们观察到整个内部microswimmers新鲜血液从一只老鼠进行进一步的研究。基于游泳速度和轧制属性,microswimmers的性能与螺旋两把大于五转,随后大于10-turn螺旋微型机器人在缓冲和全血。
交互microswimmers和巨噬细胞
在纳米,科学家可以调整粒子的物理特性,避免识别主机或控制免疫反应的应用。先天免疫防御反应的主要机制巨噬细胞吞噬作用的,这取决于目标粒子的大小和几何形状。当巨噬细胞内化microswimmers他们没有降低螺旋,从而提供长期机器人任务执行。研究团队有条不紊地不同的螺旋沿着主轴转数microswimmers同时保持身体体积检查老鼠巨噬细胞细胞系的相互作用及其内在货物使用电子,光学和共焦显微镜。基于延时macrophage-encapsulated电影,表面束缚microswimmers,他们揭示了机器人微体系结构的影响。在吞噬作用腹腔巨噬细胞,microswimmer进入稳定的取向,这个过程花了20分钟平均两种microswimmers。这个过程花了四个小时,five-turn和10-turn microswimmers。成功的吞噬作用后,巨噬细胞继续爬内部货物。研究结果强调了如何优化形状提高运动性能,而影响microswimmer的免疫原性,适合各种应用在医学上。
免疫原性螺旋游泳者的反应
Yasa然后同事调查microswimmers给他们主要的免疫原性老鼠脾细胞包含各种各样的白细胞数量,如巨噬细胞和淋巴细胞。通常,microswimmers会遇到激活免疫细胞等脂多糖(有限合伙人)刺激巨噬细胞分泌的表面受体促炎细胞因子炎症反应。在这项工作,microswimmers优越的机动性诱导更高的生产interleukin-12一个重要的细胞因子调节的先天和适应性免疫细胞。团队进一步指出的积累T细胞和B细胞在巨噬细胞内化microswimmers时;表明一个特定的免疫反应。虽然两种microswimmers最高速度的运动,他们最免疫原性比five-turn和10-turn microswimmers,球队因此推荐使用两种以更高的速度microswimmers immune-privileged网站如中枢神经系统和眼睛。他们建议使用结构速度获得相对较低的隐形生物的免疫系统网站。
然后团队认为力学生物学或物理力量及其对细胞力学的影响在另一个重要参数微型机扑设计。他们评估了微型机扑表面化学了解其运动性能和免疫原性。而一个巨噬细胞可以容纳小microswimmers形成生物合成,巨细胞microswimmers大被认为内化。虽然immunobot显示不间断的运动,个人microswimmers并不高效。Yasa等人的原型演示了额外的变化他们的主要工作,虽然在这两种设计类型,外部磁场应用开车immunobots的运动。
萨米尔Mitragotri et al。生物材料设计的物理方法,自然材料(2008)。DOI: 10.1038 / nmat2344
科汉解释说Ouajdi Felfoul et al . Magneto-aerotactic细菌提供含药nanoliposomes肿瘤缺氧地区,自然纳米技术(2016)。DOI: 10.1038 / nnano.2016.137
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