RU2619854C2 - Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions) - Google Patents

Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2619854C2
RU2619854C2 RU2015142268A RU2015142268A RU2619854C2 RU 2619854 C2 RU2619854 C2 RU 2619854C2 RU 2015142268 A RU2015142268 A RU 2015142268A RU 2015142268 A RU2015142268 A RU 2015142268A RU 2619854 C2 RU2619854 C2 RU 2619854C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shaped tube
nanoparticles
stand
vascular system
nanoparticle delivery
Prior art date
Application number
RU2015142268A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015142268A (en
Inventor
Дмитрий Владимирович Королев
Михаил Владимирович Афонин
Михаил Михайлович Галагудза
Владимир Владимирович Шуткевич
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Северо-западный федеральный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова" Минздрава России)
Общество с ограниченной ответственностью "Экспериментальный фармокологический центр кардиопротекции" (ООО "Кардиопротект")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Северо-западный федеральный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова" Минздрава России), Общество с ограниченной ответственностью "Экспериментальный фармокологический центр кардиопротекции" (ООО "Кардиопротект") filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Северо-западный федеральный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова" Минздрава России)
Priority to RU2015142268A priority Critical patent/RU2619854C2/en
Publication of RU2015142268A publication Critical patent/RU2015142268A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2619854C2 publication Critical patent/RU2619854C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)
  • Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: stand for research of the process of magnetocontrollable nanoparticle delivery to the vascular system comprises a Y-shaped tube with single end located between the magnet and the recorder, and connected to a storage tank, a pump, a flow meter, as well as a pressure sensor, and a nanoparticle delivery element. The storage tank output is connected through the pump and the flow meter to one of the forked ends of the Y-shaped tube, forming a closed loop that simulates the circulatory system. At that, the said forked end of the Y-shaped tube is also connected to the pressure sensor and the nanoparticle delivery element. The nanoparticle delivery element is a syringe, according to the first version, and an electromagnetic probe connected to a power source, according to the second version.
EFFECT: opportunity to research the process of magnetocontrollable nanoparticle delivery to the vascular system.
3 cl, 7 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области медицины, в частности к экспериментальной медицине, и может быть использовано для изучения процесса накопления магнитных наночастиц в заданном участке сосудистой системы под воздействием внешнего магнитного поля.The invention relates to medicine, in particular to experimental medicine, and can be used to study the process of accumulation of magnetic nanoparticles in a given section of the vascular system under the influence of an external magnetic field.

Наночастицы с магнитными свойствами в последние годы активно изучаются и находят применение в медицинской визуализации, диагностике и терапии. Использование контрастных веществ на основе магнитных наночастиц (МНЧ) в магнитно-резонансной томографии позволяет визуализировать воспаление различной локализации в нервной системе, почках, кишечнике, легких, печени, костной и жировой тканях [Wu Y., Briley-Saebo K., Xie J. et al. Inflammatory bowel disease: MR- and SPECT/CT-based macrophage imaging for monitoring and evaluating disease activity in experimental mouse model-pilot study // Radiology. - 2014. - Vol. 271, №2. - P. 400-406; Luciani A., Dechoux S., Deveaux V. et al. Adipose tissue macrophages: MR tracking to monitor obesity-associated inflammation // Radiology. - 2012. - Vol. 263, №3. - P. 786-878]. Кроме того, МНЧ в экспериментальных исследованиях применяются в следующих областях: для направленной доставки противоопухолевых препаратов, направленной термочувствительной химиотерапии [Pradhan P., Giri J., Rieken F. et al. Targeted temperature sensitive magnetic liposomes for thermo-chemotherapy // J Control Release. - 2010. - Vol. 142, №1. - P. 108-129], магнитной фотодинамической терапии [Cinteza L.O., Ohulchanskyy T.Y., Sahoo Y. et al. Diacyllipid micelle-based nanocarrier for magnetically guided delivery of drugs in photodynamic therapy // Mol Pharm. - 2006. - Vol. 3, №4. - P. 415-437] и флуоресцентной визуализации [Yang L., Mao H., Cao Z. et al. Molecular imaging of pancreatic cancer in an animal model using targeted multifunctional nanoparticles // Gastroenterology. - 2009. - Vol. 136, №5 - P. 1514-1538].In recent years, nanoparticles with magnetic properties have been actively studied and are used in medical imaging, diagnostics, and therapy. The use of contrast agents based on magnetic nanoparticles (MNPs) in magnetic resonance imaging allows visualization of inflammation of various localization in the nervous system, kidneys, intestines, lungs, liver, bone and adipose tissues [Wu Y., Briley-Saebo K., Xie J. et al. Inflammatory bowel disease: MR- and SPECT / CT-based macrophage imaging for monitoring and evaluating disease activity in experimental mouse model-pilot study // Radiology. - 2014 .-- Vol. 271, No. 2. - P. 400-406; Luciani A., Dechoux S., Deveaux V. et al. Adipose tissue macrophages: MR tracking to monitor obesity-associated inflammation // Radiology. - 2012. - Vol. 263, No. 3. - P. 786-878]. In addition, MNPs in experimental studies are used in the following areas: for targeted delivery of anticancer drugs, targeted thermosensitive chemotherapy [Pradhan P., Giri J., Rieken F. et al. Targeted temperature sensitive magnetic liposomes for thermo-chemotherapy // J Control Release. - 2010 .-- Vol. 142, No. 1. - P. 108-129], magnetic photodynamic therapy [Cinteza L.O., Ohulchanskyy T.Y., Sahoo Y. et al. Diacyllipid micelle-based nanocarrier for magnetically guided delivery of drugs in photodynamic therapy // Mol Pharm. - 2006. - Vol. 3, No. 4. - P. 415-437] and fluorescence imaging [Yang L., Mao H., Cao Z. et al. Molecular imaging of pancreatic cancer in an animal model using targeted multifunctional nanoparticles // Gastroenterology. - 2009. - Vol. 136, No. 5 - P. 1514-1538].

Вопрос эффективности применения лекарственных препаратов противоишемического действия, иммобилизированных на поверхности магнитных наночастиц, в литературе представлен единичными статьями. В то же время магнитоуправляемая доставка лекарственных препаратов в зону ишемии потенциально может обеспечить увеличение терапевтического действия с одновременным уменьшением выраженности системных побочных эффектов [Galagudza М., Korolev D., Postnov V. et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles // Int J Nanomedicine. - 2012. - №7. - P. 1671-1678]. В работе Zhang и соавт. [Zhang Y., Li W., Ou L. et al. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration // PLoS One. - 2012. - Vol. 7, №7. - P. e39490] был продемонстрирован положительный эффект от использования магнитных наночастиц в качестве транспортера сосудистого эндотелиального фактора роста на модели лигирования коронарной артерии у крысы.The effectiveness of the use of anti-ischemic drugs immobilized on the surface of magnetic nanoparticles is presented in the literature in isolated articles. At the same time, magnetically controlled drug delivery to the ischemic zone can potentially provide an increase in therapeutic effect while reducing the severity of systemic side effects [Galagudza M., Korolev D., Postnov V. et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles // Int J Nanomedicine. - 2012. - No. 7. - P. 1671-1678]. In the work of Zhang et al. [Zhang Y., Li W., Ou L. et al. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration // PLoS One. - 2012. - Vol. 7, No. 7. - P. e39490], the beneficial effect of using magnetic nanoparticles as a transporter of vascular endothelial growth factor in a rat coronary artery ligation model was demonstrated.

Для установления перспектив использования магнитных наночастиц в качестве транспортера лекарственных препаратов необходимо решить ряд задач, в частности выяснить оптимальную интенсивность магнитного поля для обеспечения накопления наночастиц в очаге ишемии, изучить биосовместимость наночастиц, а также изучить кардиопротективный эффект препаратов, иммобилизированных на поверхности наночастиц.To establish the prospects of using magnetic nanoparticles as a transporter of drugs, it is necessary to solve a number of problems, in particular, to find out the optimal magnetic field intensity to ensure the accumulation of nanoparticles in the focus of ischemia, to study the biocompatibility of nanoparticles, and also to study the cardioprotective effect of drugs immobilized on the surface of nanoparticles.

Однако изучение процесса магнитоуправляемой доставки правильнее начинать в модельных условиях in vitro. Для этого необходима разработка специализированного испытательного стенда, имитирующего участок системы кровообращения и позволяющего прилагать магнитное воздействие, а также осуществлять регистрацию накопления нанообъектов. Подобные задачи частично решались при конструировании систем вспомогательного кровообращения. Пик исследований в этой области пришелся на конец 70-х, начало 80-х годов прошлого века [Описание изобретения к авторскому свидетельству №685294. Стенд-имитатор системы кровообращения организма. / М.А. Локшин, Ю.Н. Гаврилов, В.И. Ковин, опубл. 15.09.79; Описание изобретения к авторскому свидетельству №936922. Стенд для моделирования системы кровообращения. / А.П. Осипов, В.М. Мордашев, В.А. Кремнев, Ю.М. Киселев, опубл. 23.06.82; Описание изобретения к авторскому свидетельству №939013. Устройство для моделирования гемодинамических явлений в системе кровообращения. / B.C. Бедненко, А.С. Нехаев, А.Н. Козлов, опубл. 30.06.82; Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1029961 А. Стенд для испытания искусственного сердца. / М.А. Локшин, В.И. Копин, В.Г. Северин, А.В. Врубель, В.А. Стасенков, опубл. 23.07.83].However, the study of the process of magnetically controlled delivery is more appropriate to begin under in vitro model conditions. This requires the development of a specialized test bench that simulates a section of the circulatory system and allows you to apply a magnetic effect, as well as register the accumulation of nano-objects. Similar problems were partially solved in the design of auxiliary circulatory systems. The peak of research in this area came at the end of the 70s, the beginning of the 80s of the last century [Description of the invention to copyright certificate No. 685294. Stand-simulator of the circulatory system of the body. / M.A. Lokshin, Yu.N. Gavrilov, V.I. Kovin, publ. 09/15/79; Description of the invention to copyright certificate No. 936922. Stand for modeling the circulatory system. / A.P. Osipov, V.M. Mordashev, V.A. Kremnev, Yu.M. Kiselev, publ. 06/23/82; Description of the invention to copyright certificate No. 939013. Device for modeling hemodynamic phenomena in the circulatory system. / B.C. Bednenko, A.S. Nekhaev, A.N. Kozlov, publ. 06/30/82; Description of the invention to the copyright certificate SU 1029961 A. Stand for testing an artificial heart. / M.A. Lokshin, V.I. Kopin, V.G. Severin, A.V. Vrubel, V.A. Stasenkov, publ. 07.23.83].

Однако к недостаткам этих стендов следует отнести их ограниченные функциональные возможности.However, the disadvantages of these stands should include their limited functionality.

Проведенные авторами патентные исследования не выявили прототип предлагаемого изобретения.Conducted by the authors of patent research did not reveal a prototype of the invention.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является изучение процесса накопления магнитных наночастиц в заданном участке сосудистой системы под воздействием внешнего магнитного поля.The problem to which the invention is directed, is to study the process of accumulation of magnetic nanoparticles in a given section of the vascular system under the influence of an external magnetic field.

Данная задача решается за счет того, что в первом варианте конструкция стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему включает У-образную трубку, единичный конец которой, расположенный между магнитом и регистратором, соединен с накопительной емкостью, выход последней соединен через помпу и расходомер с одним из раздвоенных концов У-образной трубки, образуя замкнутый контур, имитирующий систему кровообращения, причем упомянутый раздвоенный конец У-образной трубки соединен также с датчиком давления и элементом доставки наночастиц, представляющим собой шприц.This problem is solved due to the fact that in the first embodiment, the design of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system includes a U-shaped tube, the unit end of which, located between the magnet and the recorder, is connected to the storage tank, the output of the latter is connected through the pump and flow meter with one of the bifurcated ends of the U-shaped tube, forming a closed loop simulating the circulatory system, and said bifurcated end of the U-shaped tube is also connected to the sensor pressure and the nanoparticle delivery element, which is a syringe.

Данная задача решается также за счет того, что во втором варианте конструкция стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему включает У-образную трубку, единичный конец которой, расположенный между магнитом и регистратором, соединен с накопительной емкостью, выход последней соединен через помпу и расходомер с одним из раздвоенных концов У-образной трубки, образуя замкнутый контур, имитирующий систему кровообращения, причем упомянутый раздвоенный конец трубки соединен также с датчиком давления, а в другой раздвоенный конец У-образной трубки помещен элемент доставки наночастиц, представляющий собой электромагнитный зонд, соединенный с источником питания.This problem is also solved due to the fact that in the second embodiment, the design of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles into the vascular system includes a U-shaped tube, the unit end of which, located between the magnet and the recorder, is connected to the storage tank, the output of the latter is connected through a pump and a flowmeter with one of the bifurcated ends of the U-shaped tube, forming a closed loop that simulates the circulatory system, and said bifurcated end of the tube is also connected to the sensor luminescence, and at the other forked end of the U-shaped tube is placed the nanoparticle delivery element, which is an electromagnetic probe connected to a power source.

Во втором варианте данная задача решается также за счет конструкции электромагнитного зонда, выполненного в форме соленоида с длиной, значительно превышающей его диаметр.In the second embodiment, this problem is also solved by the construction of an electromagnetic probe made in the form of a solenoid with a length significantly exceeding its diameter.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков заявленной группы изобретений, является создание универсального стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему, сочетающего в себе модель участка системы кровообращения, систему приложения магнитного воздействия и систему наблюдения за процессом накопления наночастиц.The technical result provided by the given set of features of the claimed group of inventions is the creation of a universal stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles into the vascular system, combining a model of a portion of the circulatory system, a magnetic exposure application system, and a nanoparticle accumulation monitoring system.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 представлена блок-схема стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему (вариант 1);in FIG. 1 shows a block diagram of a stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles into the vascular system (option 1);

на фиг. 2 представлена блок-схема стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему (вариант 2);in FIG. 2 is a block diagram of a bench for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system (option 2);

на фиг. 3 представлена конструкция магнитного зонда (вариант 2);in FIG. 3 shows the design of the magnetic probe (option 2);

на фиг. 4 - график зависимости объемного расхода модельной жидкости от мощности помпы;in FIG. 4 is a graph of the volumetric flow rate of the model fluid versus pump power;

на фиг. 5 - микрофотография нанопорошка магнетита;in FIG. 5 is a micrograph of a magnetite nanopowder;

на фиг. 6 - график магнитной восприимчивости магнитных наночастиц;in FIG. 6 is a graph of the magnetic susceptibility of magnetic nanoparticles;

на фиг. 7 - накопление магнитных наночастиц в зоне движения модельной жидкости: А - фотография накопления магнитных наночастиц; Б - схематическое изображение топографии магнитного поля (распределение магнитной индукции в пространстве).in FIG. 7 - accumulation of magnetic nanoparticles in the zone of motion of the model fluid: A - photograph of the accumulation of magnetic nanoparticles; B is a schematic representation of the topography of the magnetic field (distribution of magnetic induction in space).

Конструкция стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему в первом варианте (фиг. 1) содержит: У-образную трубку 1, единичный конец которой, расположенный между магнитом 2 и регистратором 3, соединен с накопительной емкостью 4, выход последней соединен через помпу 5 и расходомер 6 с одним из раздвоенных концов У-образной трубки 1, упомянутый раздвоенный конец У-образной трубки 1 соединен также с датчиком давления 7 и элементом доставки наночастиц 8, представляющим собой шприц.The design of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system in the first embodiment (Fig. 1) contains: a U-shaped tube 1, the unit end of which, located between the magnet 2 and the recorder 3, is connected to the storage tank 4, the output of the latter is connected through a pump 5 and a flow meter 6 with one of the bifurcated ends of the U-shaped tube 1, said bifurcated end of the U-shaped tube 1 is also connected to a pressure sensor 7 and a nanoparticle delivery element 8, which is a syringe.

Конструкция стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему во втором варианте (фиг. 2) содержит: У-образную трубку 1, единичный конец которой, расположенный между магнитом 2 и регистратором 3, соединен с накопительной емкостью 4, выход последней соединен через помпу 5 и расходомер 6 с одним из раздвоенных концов У-образной трубки 1, образуя замкнутый контур, имитирующий систему кровообращения, причем упомянутый раздвоенный конец У-образной трубки 1 соединен также с датчиком давления 7, а в другой раздвоенный конец У-образной трубки 1 помещен элемент доставки наночастиц 8, представляющий собой электромагнитный зонд, соединенный с источником питания 9.The design of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system in the second embodiment (Fig. 2) contains: a U-shaped tube 1, the unit end of which, located between the magnet 2 and the recorder 3, is connected to the storage tank 4, the output of the latter is connected through a pump 5 and a flow meter 6 with one of the bifurcated ends of the U-shaped tube 1, forming a closed loop simulating the circulatory system, and said bifurcated end of the U-shaped tube 1 is also connected to the pressure sensor 7, and in the other zdvoenny end of the U-shaped tube 1 is inserted nanoparticle delivery element 8, which is an electromagnetic probe connected to a power source 9.

У-образная трубка 1 (фиг. 1 и 2) может быть выполнена, например, из пирексного стекла.The U-shaped tube 1 (Figs. 1 and 2) can be made, for example, of pyrex glass.

В качестве регистратора 3 (фиг. 1 и 2) могут быть применены промышленная видеокамера или цифровой фотоаппарат. Возможно также применение флуоресцентных красителей в совокупности с соответствующими светофильтрами и источниками излучения.As the recorder 3 (Fig. 1 and 2) can be applied industrial video camera or digital camera. It is also possible to use fluorescent dyes in conjunction with the corresponding filters and radiation sources.

Гидравлическая часть имитирующей системы кровообращения (фиг. 1 и 2) включает: накопительную емкость 4, представляющую собой ресивер, помпу 5, в качестве которой может быть использована, например, помпа от аппарата искусственной почки, и расходомер 6. Расход и давление в системе измеряются непосредственно перед входом в У-образную трубку.The hydraulic part of the simulating circulatory system (Fig. 1 and 2) includes: a storage tank 4, which is a receiver, a pump 5, which can be used, for example, a pump from an artificial kidney apparatus, and a flow meter 6. Flow and pressure in the system are measured just before entering the U-shaped tube.

В качестве элемента доставки наночастиц 8 по варианту 2 (фиг. 2) был спроектирован электромагнитный зонд в форме соленоида (фиг. 3) с длиной, значительно превосходящей диаметр, и обеспечивающий расчетную индукцию магнитного поля 6.55 мТл. Параметры электромагнитного зонда отражены в приведенной таблице.As an element for the delivery of nanoparticles 8 according to option 2 (Fig. 2), an electromagnetic probe in the form of a solenoid (Fig. 3) was designed with a length significantly exceeding the diameter and providing a calculated magnetic field induction of 6.55 mT. The parameters of the electromagnetic probe are shown in the table.

Figure 00000001
Figure 00000001

Разработанная конструкция электромагнитного зонда позволяет изучить баланс сил магнитного удержания - турбулентного отрыва для различных режимов функционирования и выявить параметры гарантированного удержания для определенного вида МНЧ.The developed design of the electromagnetic probe makes it possible to study the balance of magnetic confinement - turbulent separation forces for various operating modes and to identify the parameters of guaranteed confinement for a certain type of MNP.

Предусмотрены два принципиально разных способа доставки МНЧ, соответственно и два разных элемента доставки. Первый вариант (фиг. 1) предусматривает введение суспензии наночастиц при помощи шприца 8 и последующее накопление в зоне действия магнитного поля, создаваемого магнитом 2, расположенным вдоль оси стеклянной трубки. Второй вариант (фиг. 2) предусматривает введение наночастиц, удерживаемых на электромагнитном зонде 8, непосредственно в У-образную трубку в зоне ее прямого прохода по оси. Питание электромагнитного зонда 8 осуществляется от источника питания постоянного тока 9.There are two fundamentally different delivery methods for MNPs, respectively, and two different delivery elements. The first option (Fig. 1) involves the introduction of a suspension of nanoparticles using a syringe 8 and subsequent accumulation in the zone of action of the magnetic field created by the magnet 2 located along the axis of the glass tube. The second option (Fig. 2) involves the introduction of nanoparticles held on an electromagnetic probe 8 directly into a U-shaped tube in the area of its direct passage along the axis. The power of the electromagnetic probe 8 is provided from a DC power source 9.

Объемный расход модельной жидкости в зоне эксперимента может изменяться в диапазоне от 40 до 80 л/час, что соответствует задаваемой мощности от 10 до 100% (фиг. 4).The volumetric flow rate of the model fluid in the experimental zone can vary in the range from 40 to 80 l / h, which corresponds to a preset power of 10 to 100% (Fig. 4).

В качестве модельной жидкости использовали дистиллированную воду.Distilled water was used as a model fluid.

Работа стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему в первом варианте (фиг. 1) осуществляется следующим образом.The work of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system in the first embodiment (Fig. 1) is as follows.

Модельная жидкость из накопительной емкости 4 при помощи помпы 5 подается в Y-образную трубку 1, куда при помощи шприца 8 вводится суспензия магнитных наночастиц. Удержание магнитных наночастиц в Y-образной трубке осуществляется при помощи магнита 2. Контроль процесса накопления магнитных наночастиц осуществляется регистратором 3. Измерение расхода модельной жидкости осуществляется при помощи расходомера 6, давления - датчика давления 7. Таким образом, можно имитировать магнитоуправляемую доставку лекарств, связанных с магнитными наночастицами, в локальные участки сосудистого русла. Примером таких участков могут служить конечности. В этом случае при доставке лекарственного вещества, например неотона (креотинфосфат, фосфокреатин) в конечности, можно осуществлять регенерацию мышечной ткани. В качестве магнита можно использовать смесевые магнитные термоэластопласты для изделий медицинского назначения [Кисель Л.О., Красовский В.Н.. Королев Д.В., Суворов К.А. Смесевые магнитные термоэластопласты (ТЭП) для изделий медицинского назначения // Каучук и резина. - 1999, №1. - С. 11-13].The model fluid from the storage tank 4 is fed into the Y-shaped tube 1 by means of a pump 5, where a suspension of magnetic nanoparticles is introduced using a syringe 8. The retention of magnetic nanoparticles in the Y-shaped tube is carried out using a magnet 2. The accumulation of magnetic nanoparticles is controlled by the recorder 3. The flow rate of the model fluid is measured using a flowmeter 6, pressure - pressure sensor 7. Thus, magnetically controlled drug delivery associated with magnetic nanoparticles to local areas of the vascular bed. An example of such sites are the limbs. In this case, upon delivery of a medicinal substance, for example, neotone (creotine phosphate, phosphocreatine) to an extremity, muscle tissue can be regenerated. As a magnet, you can use mixed magnetic thermoplastic elastomers for medical devices [Kisel L.O., Krasovsky V.N. Korolev D.V., Suvorov K.A. Compound magnetic thermoplastic elastomers (TEP) for medical devices // Rubber and rubber. - 1999, No. 1. - S. 11-13].

Работа стенда для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему во втором варианте (фиг. 2) осуществляется следующим образом.The work of the stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system in the second embodiment (Fig. 2) is as follows.

Модельная жидкость из накопительной емкости 4 при помощи помпы 5 подается в Y-образную трубку 1. Магнитные наночастицы вводятся внутрь Y-образной трубки при помощи электромагнита 8. Электромагнит питается от источника 9, позволяющего задавать различные значения силы тока и напряжения. Удержание магнитных наночастиц в Y-образной трубке, оторвавшихся от электромагнита 8, осуществляется при помощи магнита 2. Контроль процесса накопления магнитных наночастиц осуществляется регистратором 3. Измерение расхода модельной жидкости осуществляется при помощи расходомера 6, давления - датчика давления 7. Данная схема позволяет смоделировать процесс магнитоуправляемой доставки непосредственно в сосудистое русло при помощи средств доставки, аналогичных средствам доставки стентов, применяемых для стентирования коронарных артерий.A model fluid from the storage tank 4 is fed into the Y-shaped tube 1 by means of a pump 5. Magnetic nanoparticles are introduced into the Y-shaped tube by means of an electromagnet 8. The electromagnet is powered from a source 9, which allows setting various values of current and voltage. The retention of magnetic nanoparticles in the Y-shaped tube, detached from the electromagnet 8, is carried out using a magnet 2. The accumulation of magnetic nanoparticles is monitored by the recorder 3. Measurement of the flow rate of the model fluid is carried out using a flow meter 6, pressure - pressure sensor 7. This circuit allows you to simulate the process magnetically controlled delivery directly to the vasculature using delivery vehicles similar to stent delivery vehicles used for stenting coronary arteries th.

ПРИМЕРEXAMPLE

Эксперимент по исследованию магнитоуправляемой доставки проводился для суспензии наночастиц магнетита размером 7-10 нм (фиг. 5) и удельной поверхностью, измеренной по упрощенному методу БЭТ на установке Клячко-Гурвича, 95 м2/г. Расчетная удельная поверхность наноматериала составляет 130 м2/г [Афонин М.В., Евреинова Н.В., Королев Д.В. и др. Исследование физических свойств и биодеградации наночастиц магнетита in vitro // Биотехносфера. - 2015. - №2(38). - С. 32-34]. Как видно из микрофотографии (фиг. 5), зародышеобразование будущих МНЧ начинается с образования гамма-окиси железа. Об этом свидетельствует ярко выраженная игольчатая форма наночастиц.An experiment on the study of magnetically controlled delivery was carried out for a suspension of magnetite nanoparticles with a size of 7-10 nm (Fig. 5) and specific surface area, measured by the simplified BET method at the Klyachko-Gurvich facility, 95 m 2 / g. The calculated specific surface area of the nanomaterial is 130 m 2 / g [Afonin M.V., Evreinova N.V., Korolev D.V. et al. Investigation of the physical properties and biodegradation of magnetite nanoparticles in vitro // Biotechnosphere. - 2015. - No. 2 (38). - S. 32-34]. As can be seen from the micrograph (Fig. 5), the nucleation of future MNPs begins with the formation of gamma-iron oxide. This is evidenced by the pronounced needle shape of the nanoparticles.

График магнитной восприимчивости, полученный на вибрационном магнитометре Lake Shore 7410 (Lake Shore Cryotronics Inc., USA) в воздушной среде при стандартной температуре, показан на фиг. 6. Отсутствие петли гистерезиса говорит о том, что исследованные образцы относятся к суперпарамагнетикам или к мягким ферромагнитным материалам с большой магнитной проницаемостью. Это совпадает с классическими представлениями о магнитных свойствах наноматериалов [Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: Учеб. пособие. - М.: МГИУ, 2007. - 423 с.]. Варианты использования подобных МНЧ предложены авторами в Патенте на изобретение RU 2525430 C2. Носитель для лекарственных средств и биологически активных веществ для лечения и диагностики и способ его получения. / Королев Д.В., Афонин М.В., Галагудза М.М. и др., опубл. 10.08.2014, Бюл. №22.A plot of magnetic susceptibility obtained with a Lake Shore 7410 vibrating magnetometer (Lake Shore Cryotronics Inc., USA) in air at standard temperature is shown in FIG. 6. The absence of a hysteresis loop indicates that the samples studied belong to superparamagnets or to soft ferromagnetic materials with high magnetic permeability. This coincides with the classical ideas about the magnetic properties of nanomaterials [Pozdnyakov VA. Physical material science of nanostructured materials: Textbook. allowance. - M .: MGIU, 2007. - 423 p.]. Variants of using such MNPs are proposed by the authors in the Patent for invention RU 2525430 C2. Carrier for drugs and biologically active substances for the treatment and diagnosis and method for its preparation. / Korolev D.V., Afonin M.V., Galagudza M.M. et al., publ. 08/10/2014, Bull. Number 22.

Синтез наноматериала проводили следующим образом [Королев Д.В., Галагудза М.М., Афонин М.В. и др. Обоснование использования магнитных наночастиц для направленной доставки лекарственных препаратов в ишемизированную скелетную мышцу // Биотехносфера. - 2012. - 1(19). - С. 2-6]. К раствору, содержащему смесь сульфатов железа (II), железа (III) в мольном соотношении 2:1 и объемом 700 мл, при постоянном перемешивании со скоростью 4 мл/мин добавляли смесь 25% раствора гидроксида аммония и 1% раствора ацетата аммония. Таким образом, соотношение железа и ацетата аммония составляло 2:1:0,1. Синтез проводили до фиксации насыщенно черной окраски и установления значения pH=8-9. На следующий день полученный коллоидный продукт отделяли центрифугированием и промывали 4 раза дистиллированной водой. Для подготовки сухой пробы полученные МНЧ отфильтровывались и подвергались лиофильной сушке при температуре -48°C в течение 48 часов.The synthesis of nanomaterial was carried out as follows [Korolev D.V., Galagudza M.M., Afonin M.V. et al. Rationale for the use of magnetic nanoparticles for targeted delivery of drugs to ischemic skeletal muscle // Biotechnosphere. - 2012 .-- 1 (19). - S. 2-6]. To a solution containing a mixture of iron (II) sulfates, iron (III) in a molar ratio of 2: 1 and a volume of 700 ml, with constant stirring at a speed of 4 ml / min, a mixture of 25% solution of ammonium hydroxide and 1% solution of ammonium acetate was added. Thus, the ratio of iron to ammonium acetate was 2: 1: 0.1. The synthesis was carried out until a saturated black color was fixed and a pH value of 8–9 was established. The next day, the resulting colloidal product was separated by centrifugation and washed 4 times with distilled water. To prepare a dry sample, the obtained MNPs were filtered off and subjected to freeze drying at a temperature of -48 ° C for 48 hours.

Коллоидный раствор наночастиц в физиологическом растворе имел концентрацию МНЧ 2 мг/мл и приготовлялся на ультразвуковом диспергаторе УЗД-2 в течение 5 минут.A colloidal solution of nanoparticles in physiological saline had a concentration of MNP of 2 mg / ml and was prepared on an ultrasonic disperser UZD-2 for 5 minutes.

Исследование магнитоуправляемой доставки проводилось на заявленном стенде по варианту 1. Суспензия наночастиц в количестве 5 мл концентрацией 2 мг/мл в физиологическом растворе вводилась при помощи шприца в течение 10 с, как показано на фиг. 1. Скорость прокачки модельной жидкости составляла 80 л/ч (100% мощности). В качестве модельной жидкости использовалась дистиллированная вода. Удержание наночастиц из потока жидкости осуществлялось при помощи постоянного магнитного поля неодимового магнита класса N35 размером 30×20×10 мм.A study of magnetically controlled delivery was carried out on the claimed stand according to option 1. A suspension of nanoparticles in an amount of 5 ml with a concentration of 2 mg / ml in physiological solution was injected using a syringe for 10 s, as shown in FIG. 1. The pumping speed of the model fluid was 80 l / h (100% power). Distilled water was used as a model fluid. The retention of nanoparticles from the fluid flow was carried out using a constant magnetic field of a class N35 neodymium magnet measuring 30 × 20 × 10 mm.

Эксперимент показал, что в течение 5 минут из потока циркулирующей модельной жидкости 100% МНЧ оседают в зоне приложения магнитного поля (фиг. 7А). Таким образом, за время эксперимента при данном расходе модельной жидкости в трубке накопилось 10 мг наночастиц магнитного материала. Преимущественное накопление МНЧ наблюдалось на концах постоянного магнита. Такое их поведение вполне объяснимо в сопоставлении с топографией магнитного поля постоянного магнита (фиг. 7Б).The experiment showed that within 5 minutes from the flow of the circulating model fluid, 100% MNPs settle in the area of application of the magnetic field (Fig. 7A). Thus, during the experiment, at a given flow rate of the model fluid, 10 mg of nanoparticles of magnetic material accumulated in the tube. The predominant accumulation of MNPs was observed at the ends of the permanent magnet. Such their behavior is understandable in comparison with the topography of the magnetic field of a permanent magnet (Fig. 7B).

Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет изучать процесс магнитоуправляемой доставки МНЧ in vitro в зависимости от объемного расхода, солевого состава и вязкости модельной жидкости.Thus, the proposed group of inventions allows us to study the process of magnetically controlled delivery of MNPs in vitro, depending on the volumetric flow rate, salt composition and viscosity of the model fluid.

Claims (3)

1. Стенд для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему, включающий У-образную трубку, единичный конец которой, расположенный между магнитом и регистратором, соединен с накопительной емкостью, выход последней соединен через помпу и расходомер с одним из раздвоенных концов У-образной трубки, образуя замкнутый контур, имитирующий систему кровообращения, причем упомянутый раздвоенный конец У-образной трубки соединен также с датчиком давления и элементом доставки наночастиц, представляющим собой шприц.1. A stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles into the vascular system, including a U-shaped tube, a single end of which, located between the magnet and the recorder, is connected to the storage tank, the output of the latter is connected through a pump and flow meter to one of the forked ends of the U-shaped tube forming a closed loop simulating the circulatory system, and the aforementioned bifurcated end of the U-shaped tube is also connected to a pressure sensor and a nanoparticle delivery element, which is a joint eggs. 2. Стенд для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему, включающий У-образную трубку, единичный конец которой, расположенный между магнитом и регистратором, соединен с накопительной емкостью, выход последней соединен через помпу и расходомер с одним из раздвоенных концов У-образной трубки, образуя замкнутый контур, имитирующий систему кровообращения, причем упомянутый раздвоенный конец трубки соединен также с датчиком давления, а в другой раздвоенный конец У-образной трубки помещен элемент доставки наночастиц, представляющий собой электромагнитный зонд, соединенный с источником питания.2. A stand for studying the process of magnetically controlled delivery of nanoparticles to the vascular system, including a U-shaped tube, a single end of which, located between the magnet and the recorder, is connected to the storage tank, the output of the latter is connected through a pump and flow meter to one of the forked ends of the U-shaped tube forming a closed loop simulating the circulatory system, and the aforementioned bifurcated end of the tube is also connected to a pressure sensor, and an element of access is placed in the other bifurcated end of the U-shaped tube Application of nanoparticles representing an electromagnetic probe connected to a power source. 3. Стенд по п. 2, отличающийся тем, что электромагнитный зонд выполнен в форме соленоида с длиной, значительно превышающей его диаметр.3. The stand according to claim 2, characterized in that the electromagnetic probe is made in the form of a solenoid with a length significantly exceeding its diameter.
RU2015142268A 2015-10-05 2015-10-05 Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions) RU2619854C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142268A RU2619854C2 (en) 2015-10-05 2015-10-05 Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142268A RU2619854C2 (en) 2015-10-05 2015-10-05 Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015142268A RU2015142268A (en) 2017-04-11
RU2619854C2 true RU2619854C2 (en) 2017-05-18

Family

ID=58641639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015142268A RU2619854C2 (en) 2015-10-05 2015-10-05 Stand for research of process of magnetocontrollable nanoparticle delivery into vascular system (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2619854C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694509C1 (en) * 2018-09-07 2019-07-15 федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Hydrodynamic test bench for examination of vascular wall permeability for magnetic nanoparticles under action of external magnetic field

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU212458A1 (en) * Самосто тельное конструкторско технологическое бюро биологического DEVICE A.K. KRASNOPEBTSEVA FOR MODELING
SU939013A1 (en) * 1980-02-05 1982-06-30 Войсковая Часть 64688 Device for simulating hemodynamic effects in blood circulation system
RU2285265C2 (en) * 2000-10-19 2006-10-10 Тиботек Бвба Method and device for manipulating micro-carriers for their identification

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU212458A1 (en) * Самосто тельное конструкторско технологическое бюро биологического DEVICE A.K. KRASNOPEBTSEVA FOR MODELING
SU939013A1 (en) * 1980-02-05 1982-06-30 Войсковая Часть 64688 Device for simulating hemodynamic effects in blood circulation system
RU2285265C2 (en) * 2000-10-19 2006-10-10 Тиботек Бвба Method and device for manipulating micro-carriers for their identification

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GALAGUDZA М., KOROLEV D., POSTNOV V. et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles, Int J Nanomedicine, 2012, N7, p.1671-1678. *
GALAGUDZA М., KOROLEV D., POSTNOV V. et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles, Int J Nanomedicine, 2012, N7, p.1671-1678. ZHANG Y., LI W., OU L. et al. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration, PLoS One., 26.07.2012, vol. 7(7). *
ZHANG Y., LI W., OU L. et al. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration, PLoS One., 26.07.2012, vol. 7(7). *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694509C1 (en) * 2018-09-07 2019-07-15 федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Hydrodynamic test bench for examination of vascular wall permeability for magnetic nanoparticles under action of external magnetic field

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015142268A (en) 2017-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Song et al. Janus iron oxides@ semiconducting polymer nanoparticle tracer for cell tracking by magnetic particle imaging
Wang et al. Endoscopy-assisted magnetic navigation of biohybrid soft microrobots with rapid endoluminal delivery and imaging
Wang et al. Artificially engineered cubic iron oxide nanoparticle as a high-performance magnetic particle imaging tracer for stem cell tracking
Mondal et al. Magnetic hydroxyapatite: a promising multifunctional platform for nanomedicine application
Dadfar et al. Iron oxide nanoparticles: Diagnostic, therapeutic and theranostic applications
Mai et al. Nanosystems based on magnetic nanoparticles and thermo-or pH-responsive polymers: an update and future perspectives
Cabrera et al. Dynamical magnetic response of iron oxide nanoparticles inside live cells
Shabestari Khiabani et al. Magnetic nanoparticles: preparation methods, applications in cancer diagnosis and cancer therapy
Felton et al. Magnetic nanoparticles as contrast agents in biomedical imaging: recent advances in iron-and manganese-based magnetic nanoparticles
Samal et al. Biomimetic magnetic silk scaffolds
Lee et al. Preliminary study on alginate/NIPAM hydrogel-based soft microrobot for controlled drug delivery using electromagnetic actuation and near-infrared stimulus
Mauri et al. MnO nanoparticles embedded in functional polymers as T 1 contrast agents for magnetic resonance imaging
Das et al. Carbon nanodots doped super-paramagnetic iron oxide nanoparticles for multimodal bioimaging and osteochondral tissue regeneration via external magnetic actuation
Wen et al. Nano-assembly of bovine serum albumin driven by rare-earth-ion (Gd) biomineralization for highly efficient photodynamic therapy and tumor imaging
Yoon et al. Fabrication of multifunctional layer-by-layer nanocapsules toward the design of theragnostic nanoplatform
Silva et al. Medical applications of iron oxide nanoparticles
Antonelli et al. Red blood cells as carriers of iron oxide-based contrast agents for diagnostic applications
Gonçalves et al. Magnetic responsive cell-based strategies for diagnostics and therapeutics
Tran et al. Fattigation-platform theranostic nanoparticles for cancer therapy
Liu et al. Gadolinium-doped hydroxyapatite nanorods as T1 contrast agents and drug carriers for breast cancer therapy
Szuplewska et al. Magnetic field-assisted selective delivery of doxorubicin to cancer cells using magnetoliposomes as drug nanocarriers
WO2013110828A1 (en) Superparamagnetic nanoparticles as a contrast agent for magnetic resonance imaging (mri) of magnetic susceptibility (t2*)
Apu et al. Biomedical applications of multifunctional magnetoelectric nanoparticles
Garello et al. Micro/nanosystems for magnetic targeted delivery of bioagents
Low et al. Stimuli-controllable iron oxide nanoparticle assemblies: Design, manipulation and bio-applications

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181006