作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 对流增强的核电输送用磁控微球的概念综述
(一)概念性示意图，描绘了单个微型机器人、人工细菌鞭毛(ABF)、增强纳米粒子在血管-组织界面的质量传输(左)和产生对流以改善质量传输的趋磁细菌群(右)
细胞外基质
(二)利用磁感应对流进行核物质输运研究的磁流体平台示意图
微流控芯片放置在倒置光学显微镜的物镜和电磁铁之间(左)
一个示意图描述了该芯片，包括一个充满纳米粒子的上部通道(红色)和一个下部水道(蓝色)，两者都沿着由PDMS制成的限制梯形柱与胶原基质(灰色)相邻
纳米粒子可以沿着其浓度梯度向水通道被动扩散到胶原基质中
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav4803 纳米粒子是一种很有前途的药物传递平台，可用于治疗多种疾病，包括癌症、心血管疾病和炎症
然而，由于各种生理障碍，将NP转移到感兴趣的患病组织的效率是有限的
一个重要的障碍是纳米粒子的运输，以准确地到达目标组织的兴趣
在最近的一项研究中
舒尔勒和一组跨学科研究人员在瑞士、美国和欧洲的转化医学、生物物理学、工程机器人学、纳米医学和电子学部门工作
K
美国呢
S
开发了两种不同的基于微型机器人的微型螺旋桨来应对这一挑战
他们使用旋转磁场来驱动设备，并创造局部流体对流来克服纳米粒子的扩散限制传输
在第一个实验方法中，他们使用一个合成的磁性微型机器人作为人工细菌鞭毛(ABF)，然后使用一群自然产生的趋磁细菌(MTB)，通过利用铁流体力学来创造一种“活的铁磁流体”
利用这两种方法，科学家们在血液外渗(药物从血管向外部组织的移动)的微流体模型中增强了纳米粒子的传输，并在胶原基质包围的微通道中增强了组织渗透，从而在实验室中创建了仿生组织-血管界面
这项研究的结果现在发表在《科学进展》杂志上
纳米粒子在纳米医学中越来越受欢迎，这是因为纳米粒子作为药物递送载体的生物医学研究潜力超过了传统医学的限制
虽然纳米粒子的设计是为了改变现有药物的药代动力学和生物分布，但它们受到生理屏障的阻碍，阻碍了在疾病部位的成功积累，限制了它们在体内的治疗效果
例如，在癌症治疗过程中，药物携带者遇到围绕肿瘤结构的异常血管，从而导致无效的静脉药物释放
由于将纳米粒子输送到组织中受到其理化性质的强烈影响，科学家们重新设计了纳米粒子的形状和大小，以优化其通过血管壁到达组织的传输动力学
研究人员以前曾提出过优化药物输送的多阶段方法，要么通过及时缩小纳米颗粒，要么在体内遇到疾病的微环境线索后将其粉碎以分散并到达感兴趣的部位
微血管状单流体流动装置中的人工细菌鞭毛(ABF)
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aav4803 一般来说，NP转运受表面电荷、疏水性和表面生物化学的影响；可以在研究工作中积极优化的特性，以更有效地进行体内贩运
科学家们已经使用外部能源，如磁力和声动力，来制造无线控制的微型机器人，并将治疗方法传送到患病组织，以改善扩散传输
然而，这些方法在释放船上货物后仍然依赖于扩散运输，同时仍然需要更独特的运输策略到确定的位置
在目前的工作中，舒尔勒等人
详细说明了两种不同的策略来产生无线局部对流，以防止植入的纳米粒子的侵入
受微型机器人领域的启发，科学家们使用(1)一个单一的、合成的、受细菌启发的微型机器人，或者(2)大量的活细菌来驱动局部的纳米粒子运输
人造和天然微颗粒通过促进磁驱动对流进入具有治疗应用潜力的磁流体装置中的特定位置来辅助该过程
合成微机器人使用人工细菌鞭毛模拟细菌推进(ABF)，而密集的趋磁细菌群由舒尔勒等人利用
作为具有磁性的革兰氏阴性原核生物(磁螺菌)自然产生
科学家们希望这一结果能够克服现有的传输障碍，通过无线控制和未来时空精确的局部对流来增强纳米粒子组织的穿透
ABF局部扰动流体流动
(一)200微米宽的微流体通道示意图，悬浮的ABF(长36微米，直径10微米)位于通道中心(x，y，z) = (0，0，0)
上通道包含水，而下通道包含200纳米荧光纳米粒子
(二)ABF在一条200米宽的微米海峡中的快照，扰乱了指示流体流动的200纳米荧光核动力源的跟踪路径
比例尺(上)，10微米
界面处有ABF的双流体流动的数值模拟，颜色表示浓度分布(红色，1mol/m3；蓝色，0 mol/m3)的分子种类(底部)
ABF上游和下游位置的速度剖面
对于对照，在x = +3毫米处，模拟了峰值速度为50微米/秒的未扰动层流剖面
在x = +50微米(上游)和x =-50微米(下游)处，预计峰值速度会增加，对于上游情况，峰值会向通道壁移动得更近
(四)与(三)相同位置的y速度分量uy(垂直于和离开通道)的模拟结果
在ABF附近，预测到与流向垂直的朝向通道壁的推力
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aav4803 舒尔勒等人
如前所述，使用三维光刻和金属沉积来设计磁ABF
生物仿生微型机器人模仿旋转鞭毛，在微尺度上实现基于推进的高效运动——粘性阻力占主导地位
他们用三维旋转中的均匀磁场控制ABF运动，使用的是无线磁控装置，该装置包含围绕单个半球排列的电磁体
然后，他们将该装置安装在倒置显微镜上，以跟踪受控微型机器人的运动
旋转磁场允许在周围流体中向前推进和对流流动，当科学家将ABF浸没在荧光核动力源的悬浮体中时，他们观察到核动力源质量传输的受控流动
在实验中，他们构建了微流体通道的底层，以容纳与临床应用中使用的尺寸相似的200纳米纳米纳米粒子，而在顶层流体层上，他们保持纯水性介质的悬浮液
科学家们将ABF安置在装置的中心，通过控制装置中的流体流动来保持其位置不受流动的影响
ABF在微流体通道中的这种排列破坏了层流，产生对流，对流将纳米粒子从底部的流体层输送到上层——到达通道壁，即
e
，感兴趣的位置
可控磁流变泵组的铁磁流体泵送
(一)透射电子显微照片
磁应变AMB-1
比例尺，0
5微米
磁小体清晰可见，在这里形成两个不同的氧化铁晶体串
(二)在静态磁场(顶部)和以1 Hz在平面内旋转的磁场下对AMB 1号的控制
比例尺(底部)，5微米
跟踪的、共悬浮的、非磁性的、荧光的纳米粒子的后处理图像，用于观察由暴露于在y-z平面上以10赫兹旋转的12兆吨磁场中的一群纳米粒子产生的流场
绿色轨迹对应于超过12帧(~1秒)的行进轨迹
使用25像素直径的带通滤波器计算位置，然后找到峰值(顶部)
细菌的运动可以通过改变旋转磁场的矢量方向来控制，因为磁场在旋转平面(底部)内平移
对于一个围绕x轴的RMF矢量，细菌沿着y轴旋转，产生一个沿着y轴输送纳米粒子的流
在两种不同的磁场强度下，绘制平移速度与施加的旋转频率的关系图
平移速度最初随频率增加，但在足够高的频率下，平移速度会降低，因为流体阻力扭矩克服了磁扭矩，阻止了它们跟上磁场的旋转
最大同步频率，也对应于最大平移速度，被称为失步频率ωmax
如所观察到的，当磁场强度增加时，失步频率增加
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aav4803 科学家们还在微通道中开发了单流体流动模型，以形成具有仿生尺度和流体流速的生物传感微血管
该模型的中心含有浓缩的胶原蛋白，模仿天然的细胞外基质
使用该装置，舒尔勒等人
量化仿生基质中的荧光强度，以测试磁控ABF是否能够增强荧光标记的纳米粒子向组织模拟基质中的传质
结果表明，在较小的容器中，ABFs作为对流微处理器受到限制，但这可以通过缩放ABF结构以适应未来的通道尺寸来改变
接下来，科学家们考虑了一大群更小的微型机器人螺旋桨的影响
为此，舒尔勒等人
选择野生型结核分枝杆菌AMB-1菌株形成磁小体
微生物在质膜的脂质双层中自然产生氧化铁粒子链，用于利用外部磁场操纵运动
虽然研究人员在以前的研究中使用甲基叔丁基醚作为外磁场给药的潜在载体，但舒尔勒等人
在当前工作中使用旋转磁场
磁流变阻尼器迫使磁流变阻尼器群的运动通过磁力矩来驱动它们的运动
当RMF开关时，微流体装置中绿色荧光标记的甲基叔丁基醚的控制
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aav4803 科学家们通过使用高浓度的结核分枝杆菌在水动力主导的三维群体中向前挤压细胞邻居来降低细菌之间的平均距离
当暴露于磁场磁场时，他们没有观察到结核分枝杆菌磁小体的聚集或聚集，因为磁小体固有地被细菌细胞膜保护以控制流体流动
舒尔勒等人
使用含有胶原蛋白的微流体装置重复生物模拟实验，以显示当使用足够高浓度的甲基叔丁基醚时，甲基叔丁基醚群可以穿透胶原蛋白
这样，舒勒等人采用了两种实验策略
通过磁控微颗粒产生的对流改善了纳米粒子的质量传输
微型机器人实验表明，ABF模仿细菌鞭毛来帮助纳米粒子的积累和渗透到致密的胶原基质中——当受到RMFs的作用时
舒尔勒等人
建议在支架中加入这种固定的抗体以触发药物释放，并提高在感兴趣部位的渗透性，从而按需对抗炎症
在第二种策略中，他们专注于生产同样的技术，但是使用趋磁细菌菌株
基于目前的工作和现有的肿瘤归巢特性，科学家们设想磁控三维磁控磁控磁控磁控磁控磁控三维磁控磁控磁控三维磁控磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控三维磁控
科学家们将优化细菌密度，以获得体内相容剂量，这项工作将为临床纳米医学中磁性增强纳米粒子转运的微纳米材料的进一步研究铺平道路
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