10 research outputs found

    Studies of Different Swarm Modes for the MNPs Under the Rotating Magnetic Field

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    The principal constraint in the application of the microrobots in drug delivery is swarm control. The rotating magnetic field has shown the potential of capturing and controlling the swarm of magnetic nanoparticle-based microrobots. Despite various experimental studies to capture the swarm of the magnetic nanoparticle-based microrobot in a rotating magnetic field, a simulation platform for the swarm of aggregated magnetic nanoparticles (MNPs) has not been introduced. This study proposes a simulation platform to study the swarm of aggregated magnetic nanoparticles in a rotating field. An experimental setup was developed to investigate the different swarm modes in a rotating magnetic field, and the results show an agreement between the experimental and simulation results for the micro- and nanoparticles. The effects of the environmental parameters (initial dispersion of nanoparticles), process parameters (magnetic field intensity, frequency, actuation time), and geometrical parameters (particle diameter) were studied to describe the swarm behavior in a rotating magnetic field. These studies revealed the role of each parameter in creating the swarm and showed how the size of aggregates can be controlled. The presented approach can be used to design the magnetic nanoparticle-based microrobots effectively

    Study on Magnetic Control Systems of Micro-Robots

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    Magnetic control systems of micro-robots have recently blossomed as one of the most thrilling areas in the field of medical treatment. For the sake of learning how to apply relevant technologies in medical services, we systematically review pioneering works published in the past and divide magnetic control systems into three categories: stationary electromagnet control systems, permanent magnet control systems and mobile electromagnet control systems. Based on this, we ulteriorly analyze and illustrate their respective strengths and weaknesses. Furthermore, aiming at surmounting the instability of magnetic control system, we utilize SolidWorks2020 software to partially modify the SAMM system to make its final overall thickness attain 111 mm, which is capable to control and observe the motion of the micro-robot under the microscope system in an even better fashion. Ultimately, we emphasize the challenges and open problems that urgently need to be settled, and summarize the direction of development in this field, which plays a momentous role in the wide and safe application of magnetic control systems of micro-robots in clinic

    Magnetically Driven Micro and Nanorobots

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    Manipulation and navigation of micro and nanoswimmers in different fluid environments can be achieved by chemicals, external fields, or even motile cells. Many researchers have selected magnetic fields as the active external actuation source based on the advantageous features of this actuation strategy such as remote and spatiotemporal control, fuel-free, high degree of reconfigurability, programmability, recyclability, and versatility. This review introduces fundamental concepts and advantages of magnetic micro/nanorobots (termed here as "MagRobots") as well as basic knowledge of magnetic fields and magnetic materials, setups for magnetic manipulation, magnetic field configurations, and symmetry-breaking strategies for effective movement. These concepts are discussed to describe the interactions between micro/nanorobots and magnetic fields. Actuation mechanisms of flagella-inspired MagRobots (i.e., corkscrew-like motion and traveling-wave locomotion/ciliary stroke motion) and surface walkers (i.e., surface-assisted motion), applications of magnetic fields in other propulsion approaches, and magnetic stimulation of micro/nanorobots beyond motion are provided followed by fabrication techniques for (quasi)spherical, helical, flexible, wire-like, and biohybrid MagRobots. Applications of MagRobots in targeted drug/gene delivery, cell manipulation, minimally invasive surgery, biopsy, biofilm disruption/eradication, imaging-guided delivery/therapy/surgery, pollution removal for environmental remediation, and (bio)sensing are also reviewed. Finally, current challenges and future perspectives for the development of magnetically powered miniaturized motors are discussed

    Shape-Controlled Self-Assembly of Light-Powered Microrobots into Ordered Microchains for Cells Transport and Water Remediation

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    Nature presents the collective behavior of living organisms aiming to accomplish complex tasks, inspiring the development of cooperative micro/nanorobots. Herein, the spontaneous assembly of hematite-based microrobots with different shapes is presented. Autonomous motile light-driven hematite/Pt microrobots with cubic and walnut-like shapes are prepared by hydrothermal synthesis, followed by the deposition of a Pt layer to design Janus structures. Both microrobots show a fuel-free motion ability under light irradiation. Because of the asymmetric orientation of the magnetic dipole moment in the crystal, cubic hematite/Pt micro-robots can self-assemble into ordered microchains, contrary to the random aggregation observed for walnut-like microrobots. The microchains exhibit different synchronized motions under light irradiation depending on the mutual orientation of the individual microrobots during the assembly, which allows them to accomplish multiple tasks, including capturing, picking up, and transporting microscale objects, such as yeast cells and suspended matter in water extracted from personal care products, as well as degrading polymeric materials. Such light-powered self-assembled microchains demonstrate an innovative cooperative behavior for small-scale multitasking artificial robotic systems, holding great potential toward cargo capture, transport, and delivery, and wastewater remediation

    Enzyme Powered Nanomotors Towards Biomedical Applications

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    [eng] The advancements in nanotechnology enabled the development of new diagnostic tools and drug delivery systems based on nanosystems, which offer unique features such as large surface area to volume ratio, cargo loading capabilities, increased circulation times, as well as versatility and multifunctionality. Despite this, the majority of nanomedicines do not translate into clinics, in part due to the biological barriers present in the body. Synthetic nano- and micromotors could be an alternative tool in nanomedicine, as the continuous propulsion force and potential to modulate the medium may aid tissue penetration and drug diffusion across biological barriers. Enzyme-powered motors are especially interesting for biomedical applications, owing to their biocompatibility and use of bioavailable substrates as fuel for propulsion. This thesis aims at exploring the potential applications of urease-powered nanomotors in nanomedicine. In the first work, we evaluated these motors as drug delivery systems. We found that active urease- powered nanomotors showed active motion in phosphate buffer solutions, and enhanced in vitro drug release profiles in comparison to passive nanoparticles. In addition, we observed that the motors were more efficient in delivering drug to cancer cells and caused higher toxicity levels, due to the combination of boosted drug release and local increase of pH produced by urea breakdown into ammonia and carbon dioxide. One of the major goals in nanomedicine is to achieve localized drug action, thus reducing side-effects. A commonly strategy to attain this is the use moieties to target specific diseases. In our second work, we assessed the ability of urease-powered nanomotors to improve the targeting and penetration of spheroids, using an antibody with therapeutic potential. We showed that the combination of active propulsion with targeting led to a significant increase in spheroid penetration, and that this effect caused a decrease in cell proliferation due to the antibody’s therapeutic action. Considering that high concentrations of nanomedicines are required to achieve therapeutic efficiency; in the third work we investigated the collective behavior of urease-powered nanomotors. Apart from optical microscopy, we evaluated the tracked the swarming behavior of the nanomotors using positron emission tomography, which is a technique widely used in clinics, due to its noninvasiveness and ability to provide quantitative information. We showed that the nanomotors were able to overcome hurdles while swimming in confined geometries. We observed that the nanomotors swarming behavior led to enhanced fluid convection and mixing both in vitro, and in vivo within mice’s bladders. Aiming at conferring protecting abilities to the enzyme-powered nanomotors, in the fourth work, we investigated the use of liposomes as chassis for nanomotors, encapsulating urease within their inner compartment. We demonstrated that the lipidic bilayer provides the enzymatic engines with protection from harsh acidic environments, and that the motility of liposome-based motors can be activated with bile salts. Altogether, these results demonstrate the potential of enzyme-powered nanomotors as nanomedicine tools, with versatile chassis, as well as capability to enhance drug delivery and tumor penetration. Moreover, their collective dynamics in vivo, tracked using medical imaging techniques, represent a step-forward in the journey towards clinical translation.[spa] Recientes avances en nanotecnología han permitido el desarrollo de nuevas herramientas para el diagnóstico de enfermedades y el transporte dirigido de fármacos, ofreciendo propiedades únicas como encapsulación de fármacos, el control sobre la biodistribución de estos, versatilidad y multifuncionalidad. A pesar de estos avances, la mayoría de nanomedicinas no consiguen llegar a aplicaciones médicas reales, lo cual es en parte debido a la presencia de barreras biológicas en el organismo que limitan su transporte hacia los tejidos de interés. En este sentido, el desarrollo de nuevos micro- y nanomotores sintéticos, capaces de autopropulsarse y causar cambios locales en el ambiente, podrían ofrecer una alternativa para la nanomedicina, promoviendo una mayor penetración en tejidos de interés y un mejor transporte de fármacos a través de las barreras biológicas. En concreto, los nanomotores enzimáticos poseen un alto potencial para aplicaciones biomédicas gracias a su biocompatibilidad y a la posibilidad de usar sustancias presentes en el organismo como combustible. Los trabajos presentados en esta tesis exploran el potenical de nanomotores, autopropulsados mediante la enzima ureasa, para aplicaciones biomédicas, y investigan su uso como vehículos para transporte de fármacos, su capacidad para mejorar penetración de tejidos diana, su versatilidad y movimiento colectivo. En conjunto, los resultados presentados en esta tesis doctoral demuestran el potencial del uso de nanomotores autopropulsados mediante enzimas como herramientas biomédicas, ofreciendo versatilidad en su diseño y una alta capacidad para promover el transporte de fármacos y la penetración en tumores. Por último, su movimiento colectivo observado in vivo mediante técnicas de imagen médicas representan un significativo avance en el viaje hacia su aplicación en medicina

    Zwitterionic materials for biomedical applications

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    La resposta del nostre cos als biomaterials suposa una gran obstacle per la efectivitat de múltiples teràpies basades en biomaterials. Accionats per la absorció inespecífica de biomolècules a la superfície del material, barreres com el sistema immune o les superfícies mucoses eliminen els materials del cos, evitant que arribin al seu destí i realitzin la seva funció. Els materials zwitteriònics han emergit en els últims anys com a materials antiadherents prometedors per a superar les mencionades barreres. Tot i que molts sistemes han utilitzat els materials zwitteriònics com a recobriments, les seves propietats úniques de superhidrofilicitat i versatilitat química suggereixen múltiples beneficis en utilitzar-los com a material principal. Aquí, dos sistemes diferents basats en materials zwitteriònics són presentats. En primer lloc una plataforma de alliberament de fàrmac antiadherent basat en copolímers de bloc amfifílics (CBA) és desenvolupada. Els CBAs zwitteriònics són sintetitzats i optimitzats perquè s’auto-organitzin en nanopartícules zwitteriòniques. Les propietats antiadherents d’aquestes nanopartícules es demostren, al igual que el seu potencial per a esdevenir un sistema d’alliberament de fàrmac oral. Seguidament, el sistema s’utilitza com a portador per a fàrmacs contra la malària i el càncer. Les nanopartícules mostren internalització en eritròcits infectats per Plasmòdium, i nanopartícules carregades amb curcumina demostren la seva eficàcia contra la malària in vitro. S’observa absorció oral de polímer i curcumina in vivo utilitzant un model de ratolí, indicant el potencial del sistema per a esdevenir una teràpia oral contra la malària. Quan s’optimitza el sistema per la teràpia contra el càncer, nanopartícules carregades de Paclitaxel exhibeixen activitat anti-cancerígena en models in vitro de cèl·lules canceroses. En segon lloc, microrobots zwitteriònics no-immunogènics que poden evitar el reconeixement per el sistema immune són introduïts. Es desenvolupa una fotoresistència zwitteriònica per a la microimpressió de microrobots zwitteriònics a través de la polimerització de dos fotons amb una ample funcionalització: propietats mecàniques variables, anti-bioadhesió i propietats no-immunogèniques, funcionalització per a la actuació magnètica, encapsulació de biomolècules i modificació superficial per a l’alliberament de fàrmac. Els robots invisibles eviten que els macròfags del sistema immune els detectin després d’una inspecció exhaustiva (de més de 90 hores), fet que no s’ha aconseguit fins el moment en cap sistema microrobòtic. Aquests materials zwitteriònics versàtils eliminen un dels grans obstacles en el desenvolupament de microrobots biocompatibles, i serviran com una caixa d’eines de materials no-immunogènics per a crear robots biomèdics i altres dispositius per a la bioenginyeria i per a aplicacions biomèdiques.La respuesta de nuestro cuerpo a los biomateriales supone un gran obstáculo para la efectividad de múltiples terapias basadas en los biomateriales. Accionados por la absorción de biomoléculas en la superficie del material, barreras como el sistema inmune o las superficies mucosas eliminan los materiales del cuerpo, evitando que lleguen a su destino y realicen su función. Los materiales zwitteriónicos han emergido en los últimos años como materiales antiadherentes prometedores para superar las barreras mencionadas. Aunque muchos sistemas utilizan materiales zwitteriónicos como recubrimientos, sus propiedades únicas de superhidrofilicidad i versatilidad química sugieren múltiples beneficios en utilizarlos como material principal. Aquí, dos sistemas basados en materiales zwitteriónicos son presentados. En primer lugar, una plataforma para la liberación de fármaco antiadherente basada en copolímeros de bloque amfifílicos (CBA) es desarrollada. Los CBA zwitteriónicos son sintetizados y optimizados para que se auto-organicen en nanopartículas zwitteriónicas. Las propiedades antiadherentes de estas nanopartículas son probadas, al igual que su potencial para convertirse en un sistema oral de liberación de fármaco. Seguidamente, el sistema se utiliza como portador para fármacos animalarios y anticancerígenos. Las nanopartículas muestran internalización en eritrocitos infectados por Plasmodio, y nanopartículas cargadas con curcumina demuestran su eficacia contra la malaria in vitro. Se observa la absorción oral de polímero y curcumina in vivo utilizando un modelo de ratón, indicando el potencial del sistema para convertirse en una terapia oral contra malaria. Cuando se optimiza el sistema para la terapia contra el cáncer, las nanopartículas cargadas con Paclitaxel exhiben actividad anticancerígena en modelos in vitro de células cancerosas. En segundo lugar, microrobots zwitteriónicos no-inmunológicos que pueden evitar el reconocimiento por parte del sistema inmune son introducidos. Se desarrolla una fotoresisténcia zwitteriónica para la microimpresión de microrobots zwitteriónicos a través de la polimerización de dos fotones con una amplia funcionalización: propiedades mecánicas variables, anti-bioadhesión i propiedades no-inmunogénicas, funcionalización para la actuación magnética, encapsulación de biomoléculas i modificación superficial para la liberación de fármaco. Los robots invisibles evitan que los macrófagos del sistema inmune innato los detecten después de una inspección exhaustiva (de más de 90 horas), hecho que no se ha conseguido hasta la fecha por ningún sistema microrobótico. Estos materiales zwitteriónicos versátiles eliminan uno de los grandes obstáculos en el desarrollo de microrobots biocompatibles, y servirán como una caja de herramientas de materiales no-inmunogénicos para crear robots biomédicos y otros dispositivos para la bioingeniería y para las aplicaciones biomédicas.Body response to biomaterials suppose a major roadblock for the effectiveness of multiple biomaterial-based therapies. Triggered by unspecific absorption of biomolecules in the material surface, barriers such as immune system or mucosal surfaces clear foreign materials from the body, preventing them to reach their target and perform their function. Zwitterionic materials have emerged in the last years as promising antifouling materials to overcome the mentioned barriers. Although many systems have used zwitterionic materials as coatings, the unique properties of superhydrophilicity and chemical versatility suggest multiple benefits of using zwitterionic polymers as bulk materials. Here, two different systems based on zwitterionic materials are presented. In first place, an antifouling drug delivery platform based on zwitterionic amphiphilic polymers (ABC) is developed. Zwitterionic ABCs are synthetized and optimized to self-assemble in zwitterionic nanoparticles. The antifouling properties of zwitterionic nanoparticles are proved, together with their potential to become an oral drug delivery system. Next, the system is used as a drug carrier for antimalarial and anticancer drugs. Nanoparticles show internalization in Plasmodium infected erythrocytes, and curcumin-loaded nanoparticles prove their antimalarial efficacy in vitro. Oral absorption of polymer and curcumin is also observed in vivo using mice model, indicating the potential of this system to become oral therapy against malaria. When optimizing the system for anticancer therapy, Paclitaxel-loaded nanoparticles exhibit anticancer activity in in vitro cancer cell models. Second, non‐immunogenic stealth zwitterionic microrobots that avoid recognition from immune cells are introduced. Zwitterionic photoresist are developed for the 3D microprinting of zwitterionic hydrogel microrobots through 2-photon polymerization with ample functionalization: tunable mechanical properties, anti-biofouling and non-immunogenic properties, functionalization for magnetic actuation, encapsulation of biomolecules, and surface functionalization for drug delivery. Stealth microrobots avoid detection by macrophage cells of the innate immune system after exhaustive inspection (> 90 h), which has not been achieved in any microrobotic platform to date. These versatile zwitterionic materials eliminate a major roadblock in the development of biocompatible microrobots, and will serve as a toolbox of non-immunogenic materials for medical microrobot and other device technologies for bioengineering and biomedical applications

    Innovative designs and applications of Janus micromotors with (photo)-catalytic and magnetic motion

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    El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el diseño y desarrollo de micromotores Janus biocompatibles y su aplicación en ámbitos relevantes de la salud y de la protección medioambiental. Los micromotores Janus son dispositivos en la microescala autopropulsados que tienen al menos dos regiones en su superficie con diferentes propiedades físicas y químicas, lo que les convierte en una clase distintiva de materiales que pueden combinar características ópticas, magnéticas y eléctricas en una sola entidad. Como la naturaleza del micromotor Janus -el dios romano de las dos caras- los objetivos de esta Tesis Doctoral presentan naturaleza dual y comprenden desarrollos de química fundamental y de química aplicada. En efecto, por una parte, el objetivo central aborda el diseño, síntesis y ensamblaje, así como la caracterización de micromotores Janus poliméricos propulsados por mecanismos (foto)-catalíticos y/o accionados por campos magnéticos. Por otra parte, el objetivo central implica la aplicación de los micromotores desarrollados para resolver desafíos sociales relevantes en los ámbitos químico-analítico, biomédico y ambiental. Partiendo de estas premisas, en la primera parte de la Tesis Doctoral, se sintetizaron micromotores Janus de policaprolactona propulsados químicamente integrando nanomateriales para el diseño de sensores móviles para la detección selectiva de endotoxinas bacterianas. De esta forma, el movimiento autónomo del micromotor mejora la mezcla de fluidos y la eficacia de las reacciones implicadas permitiendo detectar el analito en pocos minutos, incluso en muestras viscosas y medios donde la agitación no es posible. Además, esta autopropulsión es altamente compatible con su empleo en formatos ultra-miniaturizados para el desarrollo de futuros dispositivos portátiles en el marco de la tecnología point of care para aplicaciones clínicas y agroalimentarias. Con el fin de incrementar su biocompatibilidad para aplicaciones in vivo, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se diseñaron micromotores Janus con propulsión autónoma utilizando luz visible para la eliminación de toxinas relevantes en procesos inflamatorios. El fenómeno autopropulsivo del micromotor y su capacidad de interacción con agentes tóxicos condujo a metodologías más rápidas y eficaces infiriéndose un futuro prometedor de estos micromotores para el tratamiento del shock séptico o intoxicación. En una tercera etapa, se sintetizaron micromotores propulsados por campos magnéticos. Estos micromotores utilizan una aproximación elegante de propulsión, exenta del empleo de combustibles químicos tóxicos como sucede en la propulsión catalítica y, en consecuencia, biocompatible. Asimismo, este mecanismo propulsivo permite controlar e incluso programar su trayectoria para aplicaciones que requieran de un guiado y de un control preciso de esta. De manera específica, estos micromotores han sido aplicados en esta Tesis Doctoral para la liberación controlada de fármacos en el tratamiento de cáncer pancreático y como elementos de remediación ambiental en la eliminación de agentes nerviosos en aguas contaminadas
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