CAREER: Design Principles of Deformable and Adhesive Particles in Multiphase Flow through Microchannels

职业:微通道多相流中可变形和粘附颗粒的设计原理

基本信息

  • 批准号:
    2339972
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 58万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-03-01 至 2029-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Cells exhibit varying mechanical properties at healthy and diseased states, presenting enormous opportunities to harness physical principles in engineering applications such as biomedicine. Nanoparticles are commonly used to modify cell biology, but their influence on cell mechanics and movement in a physiological flow environment is poorly understood. This CAREER award aims to understand how nanoparticles adhered to leukocyte surfaces influence cell deformability and migration from blood microcirculation to inflamed tissues. A combination of biophysical models and microfluidic experiments will be used to generate both fundamental knowledge and design rules for engineering cellular drug carriers. The integrated education plan will disseminate research findings by providing enriching learning experiences at various levels: e.g., a nationwide outreach program for K-12 students, new interdisciplinary teaching examples for undergraduates and graduates, and science communications for the public.There exists a critical knowledge gap between multiscale mechanical and adhesive properties and particle transport in microscale flows, hindering the development of architected materials. This award aims to test the hypothesis that drug nanoparticles influence leukocyte mechanical and adhesive properties across multiple length scales, thus modulating the delivery of drug payload to the site of inflammation and therapeutic efficacy through three major transport steps: crossflow movement in small blood vessels; rolling and adhesion on the vascular surface under physiological shear; transendothelial migration through small pores. In contrast to in vivo techniques commonly used in biomedical research, this award explicitly models the physical interaction between nanoparticles and cell membranes to examine multiscale deformations; a microfluidic cell culture recapitulates the kinetics of vascular adhesion and transport in vitro. This in silico-in vitro approach will elucidate fundamental mechanisms of leukocyte transport and efficiently explore a multi-dimensional parameter space for nanoparticles (e.g., shape, size, rigidity, concentration, and adhesion strength). Phase diagrams and multiscale structure-property relationships generated over a broad parameter range will serve as a robust and high throughput platform technology to design drug carriers tailored for various species, diseases, and drug administration methods.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
细胞在健康和疾病状态下表现出不同的机械特性,为在生物医学等工程应用中利用物理原理提供了巨大的机会。纳米颗粒通常用于修饰细胞生物学,但它们对生理流动环境中细胞力学和运动的影响知之甚少。这个CAREER奖项旨在了解粘附在白细胞表面的纳米颗粒如何影响细胞变形性和从血液微循环到炎症组织的迁移。生物物理模型和微流控实验的组合将用于生成工程细胞药物载体的基础知识和设计规则。综合教育计划将通过在各级提供丰富的学习经验来传播研究成果,例如,为K-12学生,新的跨学科教学的本科生和研究生的例子,并为公众科学通信的全国性推广计划。存在着一个关键的知识差距之间的多尺度力学和粘附性能和微尺度流动中的颗粒输运,阻碍了建筑材料的发展。该奖项旨在测试药物纳米颗粒在多个长度尺度上影响白细胞机械和粘附特性的假设,从而通过三个主要运输步骤调节药物有效载荷向炎症部位的递送和治疗功效:小血管中的交叉流动运动;生理剪切下在血管表面上的滚动和粘附;通过小孔的跨内皮迁移。与生物医学研究中常用的体内技术相比,该奖项明确模拟了纳米颗粒和细胞膜之间的物理相互作用,以检查多尺度变形;微流体细胞培养重现了体外血管粘附和运输的动力学。这种计算机体外方法将阐明白细胞转运的基本机制,并有效地探索纳米颗粒的多维参数空间(例如,形状、尺寸、刚度、浓度和粘合强度)。在广泛的参数范围内生成的相图和多尺度结构-性质关系将作为一种强大的高通量平台技术,为各种物种、疾病和药物管理方法设计药物载体。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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  • 作者:
    Qin Qi;Yan Fengping;Liu Yan;Guo Ying;Zhang Luna;Li Ting;Feng Ting;Zhou Hong
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  • 通讯作者:
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