Les nanoparticules ont des applications en tant qu'agents thérapeutiques pour les maladies articulaires telles que l'arthrose. Mais le rôle de la diffusion des nanoparticules dans le liquide synovial ou le liquide à l'intérieur de l'articulation est incomplètement compris. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Mythreyi Unni et une équipe de recherche en génie chimique et en génie biomédical aux États-Unis ont utilisé la relation de Stokes-Einstein pour décrire la diffusion rotationnelle et translationnelle de nanoparticules recouvertes de polymère dans des solutions de liquide synovial et d'acide hyaluronique au repos. Les résultats ont permis de mieux comprendre le comportement de diffusion des nanoparticules inorganiques recouvertes de polymère dans des agrégats complexes d'environnements biologiques qui sont généralement présents dans l'articulation.

Des nanoparticules en laboratoire

Les nanoparticules sont des agents thérapeutiques et diagnostiques et les chercheurs cherchent à comprendre leur diffusion dans les fluides biologiques, clés pour les applications cliniques. Les particules peuvent être conçues pour surveiller et traiter l'arthrose, bien que leurs rôles de diffusion dans les liquides synoviaux restent à comprendre. Dans ce travail, Unni et al. étudié la diffusion translationnelle et rotationnelle des colloïdaux, nanoparticules stables et neutres dans le liquide synovial bovin et dans les solutions d'acide hyaluronique, ce dernier constituant un composant majeur du liquide synovial dans l'articulation. Les particules peuvent se transférer dans un fluide par convection et diffusion sur la base de fluctuations thermiques aléatoires décrites par leur diffusivité translationnelle et rotationnelle en fonction des propriétés des particules et du fluide. Cependant, des écarts par rapport aux relations de Stokes-Einstein se sont produits dans de telles nanoparticules en solution. La diffusion des nanoparticules dans les solutions biologiques et polyélectrolytiques fait donc défaut et ces informations peuvent constituer un guide essentiel pour concevoir des nanoparticules pour des applications biomédicales, y compris la thérapie et le diagnostic des maladies articulaires. Unni et al. utilisé des mesures de spectroscopie de corrélation de photons X et des mesures de susceptibilité magnétique dynamique et pendant les expériences, ils ont assuré la stabilité colloïdale des nanoparticules en les enrobant de polyéthylène glycol. Les résultats de l'étude ont permis de mieux comprendre le comportement des nanoparticules recouvertes de polymère dans les environnements biologiques.

Unni et al. ont utilisé des nanoparticules de ferrite de cobalt recouvertes de polymère de différentes tailles hydrodynamiques au cours de l'étude. Les nanoparticules ont conservé un diamètre de noyau inorganique et un diamètre hydrodynamique, que l'équipe a mesuré par microscopie électronique à transmission. Les chercheurs ont utilisé la nanoprécipitation flash pour préparer des nanoparticules composites plus grandes et ont étudié leurs diffusivités rotationnelles dans le liquide synovial bovin avec des études de caractérisation rhéologique. En utilisant des mesures de diffusion des rayons X aux petits angles, ils ont évalué la structure et l'état d'agrégation des nanoparticules dans le liquide synovial. Unni et al. puis étudié les nanoparticules dans le liquide synovial en utilisant la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X, ce qui suggère une diffusion brownienne des particules. Lorsqu'ils ont soumis les matériaux à des champs magnétiques alternatifs, ils ont répondu par la rotation physique des particules, connu sous le nom de relaxation brownienne, qui suivait le modèle Debye. Les mesures de susceptibilité magnétique dynamique des nanoparticules enrobées dans le liquide synovial ont montré à quel point les substrats plus gros étaient plus sensiblement restreints dans le liquide. L'équipe a ensuite étudié la diffusion de nanoparticules dans des solutions d'acide hyaluronique, le principal composant du liquide synovial.

Diffusion de nanoparticules dans des solutions d'acide hyaluronique

L'équipe a ensuite utilisé de l'acide hyaluronique et les a caractérisés à l'aide de la rhéométrie et a noté un comportement newtonien apparent pour les solutions avec des concentrations inférieures à 1 mg/mL. L'équipe a ensuite effectué des mesures de spectroscopie de rayons X par diffusion aux petits angles pour étudier la structure et l'état d'agrégation des nanoparticules dans des solutions d'acide hyaluronique et dans l'eau. Alors que les nanoparticules composites sont restées intactes dans l'eau, l'équipe a noté une polydispersité plus large pour les nanoparticules dans les solutions hyaluroniques. La viscosité à l'échelle nanométrique était distincte de la viscosité macroscopique à faible cisaillement déterminée par rhéométrie. Les coefficients de diffusion rotationnelle différaient également pour les deux types de nanoparticules, où les valeurs des plus petites nanoparticules étaient inférieures à celles des plus grosses particules composites. Sur la base du comportement des nanoparticules, l'équipe a émis l'hypothèse que la viscosité moyenne environnante était beaucoup plus grande que la viscosité du solvant, qui s'alignait sur les recherches d'Albert Einstein sur la théorie du mouvement brownien. Cependant, en 1942, le physicien Maurice L. Huggins a modifié le modèle d'Einstein pour décrire la viscosité des solutions polymériques, et l'hypothèse présentée dans ce travail par Unni et al. d'accord avec le modèle modifié.

Perspectives

De cette façon, Mythreyi Unni et ses collègues ont présenté une approche réductionniste pour comprendre le transport des nanoparticules dans un joint encombré et confiné, en étudiant la diffusion de nanoparticules dans le liquide synovial et dans les solutions d'acide hyaluronique qui constituent typiquement le liquide articulaire. La composition et les propriétés rhéologiques du fluide peuvent varier avec l'âge et la maladie pour influencer la diffusion des nanoparticules. Des études supplémentaires avec des nanoparticules d'une gamme de tailles et de revêtements plus larges devraient être utilisées pour évaluer le transport des nanoparticules dans le cartilage poreux et la membrane synoviale multicouche. L'équipe a décrit le coefficient de diffusion des nanoparticules recouvertes de polymère à l'aide de la relation de Stokes-Einstein et a suivi cela avec des descriptions de la viscosité du milieu à l'aide d'un modèle développé par Huggins. Les travaux ont montré comment le comportement diffusif des nanoparticules enrobées de polymère dans le fluide biologique et leurs constituants peuvent guider la conception des nanoparticules en biomédecine.

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