Maintien de l'intégrité de l'essaim aux jonctions ciblées. (A) Schémas illustrant l'utilisation d'essaims de particules magnétiques pour bloquer les jonctions à l'intérieur d'une région ciblée. (B) Analyse schématique des forces exercées sur les particules de pointe. Les cercles bruns indiquent les particules magnétiques. Les cercles en pointillés noirs indiquent les particules de pointe. Les forces d'interaction magnétique et leur force d'interaction résultante sont respectivement indiquées par de fines flèches bleues et une épaisse flèche bleue. La force de traînée fluidique et la force de réaction sont indiquées par des flèches rouges épaisses. γ est l'angle de ramification de la jonction. θ est l'angle entre la force d'interaction magnétique et l'axe x. Les configurations des particules aux jonctions avec différents angles de ramification sont démontrées dans les cases vertes. Les régions violettes représentent les parois des jonctions. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm5752
Les agents microrobotiques peuvent former des essaims d'administration ciblée de médicaments pour des analyses d'imagerie améliorées. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Junhui Law et une équipe de chercheurs en génie mécanique et industriel, en intelligence artificielle et en génie biomédical de l'Université de Toronto et de l'Université de Shanghai, en Chine, se sont écartés du processus typique de pharmacothérapie pour faciliter l'embolisation en essaim. Le procédé est une technique médicale utilisée pour bloquer les vaisseaux sanguins lors du traitement des thromboses et des malformations artério-veineuses. Les essaims de particules magnétiques offrent une embolisation plus précise et peuvent maintenir l'intégrité de l'essaim à l'intérieur d'une région ciblée dans des conditions d'écoulement fluidique. Sur la base d'expériences dans des canaux microfluidiques, des tissus ex vivo et des reins porcins in vivo, Law et l'équipe ont validé l'efficacité de la stratégie proposée pour l'embolisation sélective.
Essaims collectifs
Les comportements collectifs sont omniprésents dans la nature, où des bancs de poissons et des essaims d'insectes peuvent accomplir des tâches complexes. Les bioingénieurs s'inspirent de l'intelligence collective des essaims naturels pour développer une variété de microrobots pour diverses applications. Dans ce travail, les chercheurs ont développé une stratégie d'actionnement pour intégrer des essaims de particules magnétiques afin d'emboliser avec précision le flux sanguin à l'intérieur d'une région ciblée pour une embolisation sélective dans un modèle animal. Les travaux ont fourni des informations plus approfondies et une étude de preuve de concept pour comprendre le comportement des essaims microrobotiques dans des conditions physiologiques.
Intégrité de l'essaim pendant le flux
L'équipe de recherche a réalisé une embolisation sélective en générant des essaims microrobotiques à la demande pour bloquer les vaisseaux sanguins dans une région ciblée. Ils ont utilisé des particules super-paramagnétiques avec des diamètres plus petits que les globules rouges et blancs pour leur distribution dans les capillaires sanguins. Les chercheurs ont recouvert les microparticules de thrombine pour convertir le fibrinogène soluble dans le sang en mailles de fibrine pour contenir les globules rouges avec les particules.
L'équipe a noté comment les essaims se divisent sous l'écoulement en raison de faibles interactions entre les particules. L'équipe de recherche a maintenu l'intégrité de l'essaim dans les canaux microfluidiques dans des conditions physiologiquement pertinentes, y compris la ramification des vaisseaux sanguins et le flux sanguin. Ils ont ensuite modélisé un essaim à une jonction pour comprendre les relations entre l'angle de ramification, le débit et l'intégrité de l'essaim par rapport à l'intensité du champ magnétique. Alors que les essaims se sont séparés lorsque l'intensité du champ magnétique appliqué était inférieure à la valeur calculée, les essaims ont maintenu leur intégrité à une jonction lorsque l'intensité du champ magnétique appliqué était supérieure à la valeur calculée.
Validations expérimentales du modèle. (A et B) La relation entre l'intensité du champ magnétique critique Bcritical et le débit aux jonctions avec différents angles de ramification γ dans le sang total porcin et le PBS, respectivement. (C et D) L'intégrité des essaims lorsque l'intensité du champ magnétique appliqué était respectivement inférieure et supérieure à Bcritical. Barre d'échelle, 20 μm. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm5752
Les scientifiques ont cherché à développer une faible intensité de champ magnétique pour l'embolisation sélective afin de dégrader l'intégrité des essaims et d'empêcher un blocage involontaire. Ils ont maintenu une stratégie d'actionnement pour une intégrité soutenue de l'essaim à l'intérieur d'une région ciblée. Malgré l'évolution des distributions de champ magnétique, l'équipe a maintenu une intensité de champ magnétique élevée dans la région ciblée. Les essaims qui se sont formés à l'extérieur de la région cible ont rencontré des champs magnétiques de faible intensité et n'ont donc pas pu maintenir leur intégrité. Les scientifiques ont validé la stratégie d'actionnement proposée via des expériences.
Embolisation dans les canaux microfluidiques et études de preuve de concept
L'équipe de recherche a testé l'efficacité de l'utilisation d'essaims de particules magnétiques pour bloquer le flux sanguin et a mesuré le débit sanguin dans différentes conditions. Ils ont assuré la visibilité sous microscopie optique en diluant le flux sanguin porcin dans les canaux microfluidiques avec 120 0 angles de ramification. L'équipe a mesuré le débit en calculant la vitesse des globules rouges pour comprendre le débit moyen, qui s'élevait en moyenne à 84 µm/s. Les scientifiques ont démontré une stratégie d'actionnement avec des particules magnétiques recouvertes de thrombine pour une embolisation sélective avec un blocage involontaire minimal au-delà d'une région cible. Ils ont ensuite mené des expériences de preuve de concept dans un vaisseau sanguin porcin ex vivo à l'aide d'essaims microrobotiques et ont imagé un vaisseau sanguin avec un angle de ramification de 30 degrés via un système d'imagerie par ultrasons. Ils ont en outre injecté des particules magnétiques recouvertes de thrombine dans le vaisseau sanguin à un débit de 80 µm/s et ont noté une tache éclaircie à la jonction indiquant la formation d'un essaim pour confirmer l'embolisation du vaisseau sanguin via l'essaim. Après des études ex vivo, l'équipe a testé la stratégie proposée pour l'embolisation sélective dans des reins porcins in vivo afin de réaliser une embolisation sélective.
Stratégie d'actionnement pour le maintien sélectif de l'intégrité de l'essaim et validation expérimentale. (A) Illustration schématique de la stratégie d'actionnement proposée. Les cercles noirs indiquent la région ciblée. Les bobines brunes et blanches sont respectivement les bobines dominantes et auxiliaires. Les lignes noires séparent l'espace de travail en régions avec des intensités de champ magnétique supérieures et inférieures à Bcritique. La pointe de flèche noire indique le sens d'écoulement. (B) Illustration schématique des régions ciblées et non ciblées décrites dans la recherche par force brute. Le cercle noir indique la région ciblée. Le rayon rQ et la position centrale PQ de la région ciblée sont étiquetés. Les sous-régions non ciblées U1, U2, U3 et U4 sont mises en évidence avec des couleurs différentes. (C) Taux de réussite expérimentale de la stratégie proposée pour maintenir l'intégrité de l'essaim dans trois cas. Les données expérimentales dans chaque petit carré ont été mesurées à partir de canaux microfluidiques indépendants, et quatre expériences ont été répétées pour déterminer le taux de réussite. Les cercles noirs indiquent les régions ciblées. (D) Répartition spatiale expérimentale des emplacements avec un taux de réussite de 75 % et plus dans trois cas. L'encart de gauche montre une jonction vide indiquant que les essaims ont été divisés, et l'encart de droite montre un essaim maintenu avec succès à une jonction. Les cercles noirs indiquent les régions ciblées. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm5752
Embolisation dans les canaux microfluidiques. (A) Différentes conditions pour réduire le débit sanguin. Les débits ont été mesurés lorsque les conditions ont été maintenues activées pendant 10 min. Les barres d'erreur représentent le SD de 10 essais. Les MP désignent des particules magnétiques. (B) Image de microscopie électronique à balayage d'un essaim de coagulation. Pour la visualisation, les globules rouges porcins, les mailles de fibrine et les particules magnétiques ont été colorées artificiellement en rouge, vert et bleu, respectivement. Barre d'échelle, 2 μm. (C) Résultats expérimentaux d'embolisation dans des microcanaux à l'aide de particules magnétiques recouvertes de thrombine. Barre d'échelle, 20 μm. (D) Le débit d'entrée de sang porcin dilué dans les canaux microfluidiques (débit moyen :83 μm/s). (E) Débit mesuré expérimentalement dans les canaux microfluidiques dans différentes conditions d'embolisation. Les débits ont été mesurés lorsque les conditions ont été maintenues activées pendant 10 min. Pour (D) et (E), les données de chaque petit carré ont été mesurées à partir de canaux microfluidiques indépendants, et trois expériences ont été menées pour obtenir un débit moyen. Les cercles noirs indiquent la région ciblée. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm5752
Embolisation dans les organes porcins. (A) Formation d'un essaim de coagulation à la jonction d'un vaisseau sanguin porcin ex vivo. Les lignes pointillées rouges décrivent le vaisseau sanguin et la jonction, et la ligne pointillée jaune décrit l'essaim de coagulation. La flèche verte indique le sens d'écoulement des microbulles. Barre d'échelle, 10 mm. (B) Schéma illustrant le site d'injection d'un omentum porcin ex vivo dans des expériences. Les flèches noires indiquent le sens du flux. (C) Embolisation sélective dans le réseau de vaisseaux sanguins d'un omentum porcin ex vivo avec la région ciblée centrée à (5 mm, -5 mm). Les cercles noirs indiquent la région ciblée, les flèches rouges indiquent le sens du flux sanguin et les flèches bleues indiquent le sens du flux du colorant bleu. (D) Image de microscopie optique montrant un essaim formé à la jonction ciblée d'un omentum porcin ex vivo. Les lignes pointillées rouges décrivent le vaisseau sanguin et la jonction, et les lignes pointillées jaunes décrivent l'essaim de particules magnétiques. Barre d'échelle, 200 μm. (E) Résultats d'angiographie par soustraction numérique de reins porcins in vivo dans différentes conditions d'embolisation. Les cercles en pointillés orange indiquent les régions ciblées. Barre d'échelle, 50 mm. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm5752
Perspectives
De cette façon, Junhui Law et ses collègues ont développé une stratégie d'actionnement pour réguler les essaims de particules magnétiques pour une embolisation sélective. Les essaims microrobotiques formés via la stratégie d'actionnement fournissent une solution potentielle pour l'embolisation sélective en clinique afin de prévenir les complications résultant de mécanismes d'embolisation non sélective.
© 2022 Réseau Science X L'événement sur la plage de Bombay démontre des difficultés dans la prévision des essaims de tremblements de terre
