화학적으로 코팅된 자성 미세입자의 자발적인 대칭 파괴 추진력

Sep 23, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17646(2022) 이 기사 인용

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화학적으로 코팅된 마이크로/나노입자는 약물 전달을 강화하고 신체의 특정 부위로의 약물 흡수를 증가시키기 위해 의학에서 종종 사용됩니다. 최근 발견된 자발적인 대칭 파괴 추진 메커니즘을 사용하여 우리는 화학적으로 코팅된 미세 입자가 정확한 탐색 하에서 점액 용액을 통해 헤엄칠 수 있으며 특정 기능화가 추진 동작을 동적으로 변경할 수 있음을 보여줍니다. 이 조사를 위해 비오틴, 비토틴-PEG3-아민 및 비오틴 키토산은 아비딘-비오틴 복합체를 사용하여 자성 미세입자의 표면에 화학적으로 기능화되었습니다. 이러한 화학 물질은 약물 전달 응용 분야에서 많이 사용되며 PEG와 키토산은 잘 알려진 점막 접착 효과가 있기 때문에 선택되었습니다. 그런 다음 코팅된 미세입자를 돼지 위 점액에서 합성된 점액에 현탁하고 회전 자기장을 사용하여 추진했습니다. 다양한 화학 코팅, 미립자 속도 및 제어 가능성 간의 관계를 철저히 조사하고 논의했습니다. 결과는 비오티닐화된 표면 코팅이 자기장 특성과 국부적인 점액 특성 모두에 상호 연결된 성능 차이로 미립자의 추진 거동을 변경했음을 나타냅니다. 미세입자를 운반하는 정밀하게 제어되는 약물은 전통적인 약물 전달 방법을 대체하고 마이크로/나노입자를 활용하는 기존 의료 기술을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다.

마이크로로봇공학 기술은 표적 약물 전달, 최소 침습 수술, 의료 영상의 대비 향상을 가능하게 하여 의료 치료의 패러다임 전환을 일으킬 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 특정 응용 분야에는 정확한 전달, 막힌 동맥 제거 및 뇌 수술을 통한 희귀 치료제 보존이 포함됩니다. 낮은 레이놀즈 수 물리학을 우회하기 위해 키랄 기하학을 활용하여 추진하는 나선 기반 마이크로 로봇과 신체를 변형하여 병진 운동을 생성하는 유연한 마이크로 로봇을 포함하여 비가역 운동을 생성하기 위한 다양한 마이크로 로봇이 개발되었습니다3,4. 또한 Janus 입자는 화학적 분해5 및 자체 생성된 열 구배6,7를 사용하여 벌크 유체를 통해 추진하도록 개발되었습니다. 이러한 추진 방법은 효과적이고 상황에 따라 필요하지만 비용이 복잡하고 종종 값비싼 제조 단계가 필요합니다8. 이러한 플랫폼을 사용한 약물 전달이 연구되었지만9,10,11, 의료 치료에 이미 사용된 기존 마이크로/나노입자를 완전히 탐색 가능한 마이크로 로봇으로 전환하면 엄청난 이점이 있을 것입니다. 이러한 발전은 새로운 표적 치료법 개발을 돕는 것 외에도 약물 전달12, 저체온증13 및 자기 공명 영상14과 같은 마이크로/나노입자 응용 분야에 대한 기존 연구를 강화할 것입니다.

이러한 노력을 뒷받침하기 위해 자발적인 대칭 파괴 추진력이 유체와 같은 비뉴턴 막대 등반에서 발생하는 것으로 최근 발견되었으며, 유체의 1차 및 2차 수직 응력 차이로 인한 압착 효과를 사용하여 대칭 자성 미세 입자가 회전축을 따라 추진할 수 있게 되었습니다. 이 연구 이전에 비뉴턴 유체에서 추진력을 달성하기 위해 문서화된 가장 간단한 물체는 아령 수영선수와 3D 프린팅된 가리비였습니다16,17. 자발적인 대칭 파괴는 현재 막대 등반과 같은 특성을 가진 비뉴턴 유체의 하위 집합으로 제한되어 있지만 이러한 효과는 생물학적 돼지 점액에서 합성된 점액 유체 내에서 발생하는 것으로 입증되었습니다15. 뮤신이 약물 전달에 가질 수 있는 복잡성과 물리화학적 상호작용을 고려할 때, 표면 화학적 기능화가 자발적인 대칭 파괴 추진력에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 후속 조사가 필요합니다.

원래 조사는 스트렙타비딘 화학적 기능화(avidin)5로 코팅된 미세 입자로 제한되었습니다. 아비딘은 비오틴과 상호작용하고 자연에서 발견되는 가장 강력한 비공유 결합 중 하나를 생성하는 것으로 알려져 있으며18 의학 및 나노 기술 응용 분야에서 매우 바람직합니다19. 이러한 이유로 많은 약물 화합물에는 아비딘으로 코팅된 마이크로/나노입자 또는 기타 전달 수단에 부착할 수 있는 비오틴 기능 그룹이 있는 경우가 많습니다. 위장관의 일반적인 약물 치료는 약물 페이로드의 흡수를 증가시키고 나노입자를 운반하는 약물의 정확한 위치를 보장하기 위해 점막부착성 화합물에 의존하는 경우가 많습니다. 이는 자발적인 대칭 파괴 하에 헤엄치는 화학적으로 코팅된 미립자가 (1) 점액액 내부에서 효과적으로 헤엄칠 수 있는지, (2) 서로 다른 코팅 사이에서 어떤 속도 차이 또는 상호 작용이 발생하는지에 대한 의문을 제기합니다. 미립자를 신속하고 효과적으로 탐색할 수 있는 능력은 약물 배치 절차의 속도가 환자 회복에 중요한 실제 사용 응용 분야로 미립자를 이전하는 데 가장 중요합니다. 이전에 조사된 수동형 마이크로/나노 입자와 달리 추진형 마이크로 입자는 확산 특성에만 의존하지 않고 목표 위치로 정확하게 이동하고 복잡한 유체 및 조직 환경을 관통할 수 있습니다.