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Module 1: Nano - e Micro - Particelle

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Carica ed Elasticità

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Salve a tutti, benvenuti a un'altra lezione per i principi di Delivery Principles and Engineering. Quindi, abbiamo parlato di abbastanza di particelle nelle ultime classi; in sostanza proseguiremo questa discussione e molto probabilmente finirà la discussione nella classe di oggi. Le particelle sono di nuovo una delle bufera in campo piuttosto tante di quelle utilizzate per varie applicazioni.
E c'è un bel po' di eccitazione su di esso ed è abbastanza ovvio. Perché? Poiché non si deve fare alcun intervento chirurgico e oltre un farmaco libero si ottiene un rilascio molto più sostenuto del farmaco; in modo che i pazienti non debbano assumere compresse più volte al giorno, si può solo ottenere un'iniezione o un colpo di particella sia per via orale che per qualche altro meccanismo. E questo può bastare per trattare qualche malattia minore o in caso di malattie croniche anche, si può solo dover prendere delle particelle magari una o due volte al mese o qualcosa del genere.
Quindi, dipende solo dall'applicazione nelle particelle che si sta utilizzando, ma c'è molta eccitazione e c'è molta sintonia che dà ai ricercatori; così come i clinici. E così continueremo quella discussione, avevamo parlato diverse cose sulle particelle, abbiamo parlato di come fabbricarle e abbiamo parlato di quelle che sono le diverse gamme che vengono utilizzate in letteratura.
E perché vengono utilizzati; si parla di alcune classi di particelle che sono molto diffuse polimericamente essendo la prima di cui abbiamo parlato. Abbiamo parlato di liposomi, abbiamo parlato di micelle, poi abbiamo parlato di alcune proprietà fisiche delle particelle che è auspicabile. Quindi, le dimensioni sono naturalmente, una; quindi, particella sferica c'è una certa gamma di dimensioni che vogliamo. Quindi, se volete che sostiate il tipo di flusso nel vaso sanguigno o rimanete nel nostro corpo abbiamo voluto essere più grande di 6 nanometri perché 6 nanometro è essenzialmente la filtrazione renale.

(Riferimento Slide Time: 02.09)

Se vogliamo che sia inibizionabile nel lasciarci dire vasi sanguigni, allora vogliamo che sia più vicino o almeno inferiore a 5 micron perché i vasi più piccoli che abbiamo sono vicini a circa 5 - 6 micron; quindi, non vogliamo che si ostruzionino.
E sappiamo che il nostro sistema immunitario è abbastanza buono nella cancellazione di certe cose e quello che abbiamo trovato è se le particelle sono meno di 200 nanometri scorreranno per parecchio tempo perché tipicamente milza e fegato o organi che chiariranno qualsiasi cosa sopra i 200 nanometri.
Allora, queste erano alcune delle cose che abbiamo parlato di particelle sferiche, ma ora abbiamo introdotto un nuovo concetto e stiamo dicendo le loro particelle che potrebbero essere di forma diversa. E ora quando stiamo dicendo forma diversa stiamo sostanzialmente dicendo che almeno una della dimensione dovrebbe seguire questi criteri, l'altra dimensione potrebbe essere diversa. E continueremo la discussione anche oggi per vedere quali sono le altre proprietà che possiamo cambiare in giro pur mantenendo ancora in mente questi limiti, ma poi aggirarli alquanto.
Così, nell'ultima classe abbiamo parlato di forma di particelle, abbiamo parlato di quello che è il metodo di sintesi; quindi sono stati due metodi di sintesi di cui abbiamo parlato. Si è trattato di un approccio bottom up in cui si fanno particelle da singolo atomo e si è sorta ad accumularle per fare una certa dimensione. Oppure si può avere un approccio dall'alto in basso dove si usa una sorta di litografia di impronta o si ha una particella più grande e poi la si spezza in particelle più piccole o in forma diversa magari.
Ecco, questi sono alcuni degli approcci di cui abbiamo parlato. E poi abbiamo parlato di alcuni degli usi di loro che abbiamo trovato che l'assorbimento dipende dalla forma. Abbiamo brevemente discusso di un solo saggio di ricerca su questo, ma poi diversi paper di ricerca là fuori che effettivamente corroborano ulteriormente questo punto. E poi abbiamo ulteriormente scoperto che anche la diffusione può dipendere dalla forma stessa (nel contesto biologico). Allora, questo è quello di cui abbiamo parlato nell'ultima classe. Quindi, ora si va a guardare oltre; abbiamo parlato anche di micelle. Ora andiamo a guardare oltre e a parlare della carica delle particelle.
(Riferimento Slide Time: 05.01)

Allora, abbiamo parlato di dimensioni e abbiamo parlato di forma; la prossima proprietà di cui parleremo è la carica. Quindi cosa si carica essenzialmente? La carica non è nulla, ma che cosa è la struttura elettronica o quanto gli elettroni di carica positivi o negativi sono disponibili sulla superficie di una particella.
Così, come si sa nel corpo la particella incontrerà ogni tipo di carica. Quindi, la membrana cellulare che abbiamo questo è fatta di lipidi leggermente negativamente caricati. Quindi, si può supporre che tutte le cellule abbiano una carica leggermente negativa; le proteine del siero che scorrono nel nostro sangue, sono anche predominanti. Quindi, la maggior parte delle proteine che scorrono tipicamente portano anche carica negativa; sebbene ciò non sia vero con tutte le proteine ci sono proteine anche positivamente cariche, ma prevalentemente scopriremo che la maggior parte delle proteine del siero sono cariche negativamente.
Quindi, ora che sappiamo che questa membrana è carica negativamente se voglio consegnare qualcosa alla cellula, probabilmente vorrei avere qualcosa che abbia un diritto di carica positivo. Quindi, c'è un'interazione elettrostatica; si attira verso la cellula.
Cosa accadrà se avrò una carica negativa? Anche se la particella potrebbe voler avvicinarsi alla cella, ci sarà una repulsione elettrostatica che farà allontanare la particella a causa di questa carica negativa e la repulsione di carica negativa.
Quindi, per le particelle cariche positivamente l'assorbimento delle cellule dei mammiferi è molto più alto rispetto alla particella caricata negativamente. Ma poi quello che succede in vivo ci fa dire se lo inietto in un umano o diciamo un animale. Perché ho detto che il siero contiene lotti e lotti di proteine che sono caricate negativamente; queste proteine tendono ad interagire con la particella piuttosto molto e tenderanno ad adsorare su queste proteine del siero.
Quindi, parleremo di adsorbimento in molto più dettaglio nella prossima classe, ma questo è un fenomeno che comincerà a verificarsi. E alcune di queste proteine del siero sono usate dal sistema immunitario per una sorta di riconoscenza; se c'è per un oggetto e questo causerà la clearance delle tue particelle molto più rapidamente che dire una particella carica negativamente carica o neutrale.
(Riferimento Slide Time: 07.20)

Quindi, le particelle cariche positivamente tendono ad adsorare tanto ed è per questo che causano anche tossicità. Quindi, se ho una particella carica positivamente ci saranno lotti e lotti di proteine che si adagieranno sulla superficie. E la struttura della proteina cambierà, la funzione della proteina cambierà, il modo in cui questi ragazzi possono coagulare con un'altra particella e così via. Quindi, la loro grandezza reale una volta che va nel sangue può cambiare e può causare tossicità; forse diventerà più grande di 5 micron forse questo diventerà 10 micron e che ostruirà i vasi sanguigni.
Cosa accadrà se si coagulerà i vasi? Se l'imbarcazione va verso il cervello e se la si coagula; il cervello non otterrà abbastanza ossigeno e si tradurrà in un ictus o causera ' un infarto. E se la nave stesse andando direttamente al cuore? Il cuore non otterrà abbastanza ossigeno che inizierà a pompare e che si tradurrà in attacco cardiaco. Ecco, queste sono alcune delle considerazioni che dobbiamo tenere a mente mentre si parla di carica.
(Riferimento Slide Time: 08.32)

Quindi, le particelle cariche neutre e leggermente negative sono tipicamente preferite quando si parla di consegna in vivo. Perché le particelle cariche positivamente possono causare tossicità plus non rimane davvero per un bel po' di tempo nel sangue. E quindi anche se per lasciarci dire se volete dare un po' di droga alla cellula che è al di fuori dell'ambiente corporeo; probabilmente volete preferire una possibile particella di carica, ma per una nuova applicazione potreste voler guardare particelle cariche leggermente negative o neutre.

Ma poi ancora la comprensione è ancora in continua evoluzione ogni giorno; c'è una nuova e nuova ricerca in arrivo una sorta di impugnazione di tutti questi concetti e proponendo nuovi concetti.
Quindi, è ancora un campo abbastanza dinamico, ma il consenso generale è per una circolazione più lunga che si desidera neutre a particelle cariche leggermente negativamente da scorrere nel corpo.
(Riferimento Slide Time: 09.27)

Così, la quarta proprietà di cui parleremo è l'elasticità della particella e questo è di nuovo un campo abbastanza nascente; non molto è stato fatto in questo settore, ma sempre più persone cominciano a osservare le proprietà meccaniche delle particelle che stanno usando.
Quindi, ancora una volta l'elasticità è stata segnalata per avere un effetto profondo su quanto la particella circola nel sangue; in realtà il più noto esempio di questa è una particella naturale che è proprio RBC. Così, la RBC che conosciamo è di circa 5 micron e sono altamente elastiche e molto morbide.
E sono stati noti per far circolare nel sangue per circa 2 - 3 mesi.
Quindi, questo è di gran lunga il tempo di circolazione come si otterrà mai con qualsiasi particella sintetica.
E quello che hanno è che hanno un modulistica molto basso e quindi quello che ormai le persone hanno fatto è iniziato a fare particelle che come RBCs hanno un modulo elastico molto basso e ho una grande dimensione e poi ho studiato come il loro effetto sia quando lo hanno confrontato con la RBC.

Quindi, rispetto a una particella sintetica contro una cellula RBC naturale che circola. E quindi ecco un esempio, qui questi ragazzi hanno usato di nuovo approcci top down; quindi in questo articolo hanno riportato questi approcci top-down, quindi in questo caso questo è il modello.
E quello che hanno fatto è che hanno una miscela pre - polimero e rullano questa miscela pre polimero per riempire questi modelli e poi causare la polimerizzazione.
E poi possono sciogliere questo modello stesso per ordinare le vostre singole particelle e come potete vedere le particelle sono piuttosto forma a disco. E qui hanno riportato una sorta di proprietà sfusa di questo. Quindi, a seconda della quantità di linker incrociato che hanno aggiunto; così possono variare anche il cross linker da 10 a 1% il loro modulo di materiale sfuso.
Così, qui sono stati in grado di cambiarlo con quasi un ordine di magnitudini; quindi 10 volte.
E con questo vedono anche che la mezza vita è cambiata; quindi se si guarda alla mezza vita si parla di una particella molto elastica che ha una mezza vita di circa 3 ore mentre, qualcosa che il modulistico molto basso ha una mezza vita di circa 95 ore o 93 ore. Così, potete vedere cosa un salto solo il modulo ha avuto sul tempo di circolazione.
(Riferimento Slide Time: 12.24)

E così questo è stato riportato e uno dei motivi per questo arriverà in poche slide, ma poi ci sono anche altri metodi.
Quindi, ecco un altro metodo per rendere queste particelle a basso modulo; in questo caso di nuovo hanno usato sfere di polistirolo cave; quello che hanno fatto è che hanno creato proteine per adagiare su questi. Quindi, perché le proteine si adagiano su qualsiasi superficie esposta; quello che hanno sono queste proteine che sono essenzialmente rivestite.
Quindi, vediamo se faccio questa particella e poi questa particella viene rivestita con diverse proteine e poi che cosa fa? Incrociate questa proteina. Quindi, ora qualunque cosa queste proteine fossero presenti sulla superficie ben si incrociano e formeranno legami tra le proteine vicine e da qui diventa molto stabile; poi si arriva con un solvente che sta per sciogliere questo polistirolo.
Quindi, allora quello che si finisce con non è niente, ma una struttura proteica hollow molto morbida che si incrocia sulla superficie ed è vuota. Quindi, essenzialmente un modulo elastico estremamente basso e che si può quindi utilizzare per ordinare queste forme di RBC a seconda delle dimensioni.
Quindi, perché è vuoto che crolla solo e si ottengono queste particelle di forma di ciambella RBC che sono molto basse.
Quindi, ecco solo un esempio in cui stanno mostrando la loro particella reale e qui sono i RBCs di mouse collegati incrociati che sembrano molto simili. Quindi, quello che gli autori stanno riportando qui è che sono stati in grado di imitare i RBCs usando questo particolare metodo. Ecco, questa è un'altra alternativa a quello che abbiamo discusso nella slide precedente.
(Riferimento Slide Time: 14.33)

E poi quello che questo spettacolo è il modulo elastico della particella PLGA originale è abbastanza elevato; quindi questo è sulla scala di log. Così, potete vedere che state parlando nell'ordine del 10 alla potenza 6.
Ma una volta che hanno fatto il loro metodo e incrociando proteine collegate e sciogliendo questa particella PLGA si abbassano a circa 10 alla potenza 2. Questo è solo simile a quanto riportato qui da 2 a 10; numero 20. Quindi, ancora non sono stati in grado di scendere al topo RBCs, ma sono ancora in grado di ridurre parecchio il modulo elastico.
E qui quello che stanno mostrando è il suo abbastanza elastico, può deformare, può ritrovare la forma. Quindi, ora hanno volato dentro attraverso canali microfluidici che sono in realtà più piccoli della dimensione delle particelle. E quello che si può vedere è questa particella e può effettivamente stringere attraverso questi canali microfluidici; proprio come i vasi sanguigni provocherà la RBC attraverso di loro.
(Riferimento Slide Time: 15.38)

Così, possiamo imitare queste proprietà; un altro esempio di particelle elastiche è filo da micelle. E questi non sono altro, ma queste sono particelle polimeriche che sono da 20 a 30 nanometri di diametro e sono circa da 5 a 8 micron di lunghezza.
Quindi, ecco solo un'immagine fluorescente di questo. Quindi, non è niente, ma questo è proprio come un filo o una come la particella e ciò che hanno dimostrato è; se si può incrociare le diverse regioni e renderla rigida o si può lasciarlo così. E se si vede il loro tempo di circolazione, quindi se si usa un phage lambda molto simile nella struttura, ma è una molecola abbastanza rigida.
Quindi, questo è un rigido che viene sdoganato entro 2 giorni; quindi di un giorno e mezzo questo si sdoganano completamente. Se si utilizzano vescicole stealth che sono dello stesso volume, ma sono sferiche e sono rigide; si vede anche allora si può arrivare al massimo a 3 giorni. Ma quando usano questo filo - micelle; sono riusciti a circolare per più di 7 giorni, questo è maggiore di 7 giorni.
Di nuovo solo un esempio di mostrare come l'elasticità possa causare questo effetto; quindi se ora se usano gli stessi filomicelli e lo incrociano internamente e questo scende drasticamente a qualcosa come un phage lambda dove viene sdoganato entro un giorno o 2. Quindi, qual è il motivo di tutto questo? Insomma, abbiamo parlato di elasticità o abbiamo parlato di come l'elasticità sia in grado di cambiare il tempo di circolazione e in grado di fluire parecchio nel nostro corpo, ma qual è la ragione maggiore che questo sta accadendo?
E la ragione maggiore è la milza. Quindi, la milza non è essenzialmente nulla, ma un filtro per il corpo fuori e quello che succede in una milza è tipicamente il sangue che scorre attraverso la milza uscirà nel tessuto dai vasi sanguigni e poi tornerà in circolazione. Quindi, se questo è stato lasciato dire che un recipiente di milza nel sangue si svuota nell'interstizio della milza dove ci sono un sacco di cellule immunitari che risiedono.
E poi il vaso sanguigno poi ci sono altri vasi sanguigni che sono abbastanza legni e da queste fughe tutto il sangue andrà e stringerà. Quindi, se hai una grande particella rigida non sarà in grado di stringere attraverso queste lacune. E ci si affiderà solo in questa regione, dove tutte queste cellule immunitari lo sgomberanno. Mentre, se si ha una particella morbida e larga anche se potrebbe essere più grande di queste lacune, sarà comunque in grado di stringerle attraverso di esse e di conseguenza avrà una circolazione più lunga. Quindi, questo è solo uno del meccanismo attraverso il quale troviamo che l'elasticità la particella gioca un ruolo molto importante in quel tipo di circolazione.

(Riferimento Slide Time: 19.03)

Quindi, di gran lunga abbiamo parlato solo di particelle di polimeri e lipidi. Un'altra classe di particelle di cui parleremo sono le particelle di metallo; tipicamente come potreste aver visto attraverso questo corso non abbiamo davvero parlato molto di impianti duri o di particelle dure come il metallo.
Il motivo è ovviamente, anche se hanno avuto un discreto successo e ne parleremo alcuni in più nelle lezioni future. Il problema è di nuovo tu devi fare un riintervento e tipicamente; a differenza dei polimeri che non ti permettono davvero di degradare la matrice e rilasciare il farmaco in tempo costante tipicamente il farmaco è appena rivestito in superficie o sono per supporto strutturale.
Quindi, non sono così ampiamente utilizzati nella letteratura almeno nella scala di ricerca. Ma poi sulle particelle di metallo c'è ancora un bel po' di applicazioni e perché queste sono piccole particelle, sono state usate per gli agenti di contrasto, sono state solo il rivestimento superficiale di un farmaco causera ' anche abbastanza volume del farmaco o abbastanza concentrazione il farmaco da sviluppare e quindi parleremo di particelle di metallo.
Così, in questo caso si vedono alcune immagini e ancora particelle di metallo; poiché si formano per cristallizzazione, è molto facile ottenere forme diverse di particelle in quantità molto grandi usando approcci di fondo e quindi sostanzialmente gli stessi concetti si applicano per le particelle di metallo. Quindi, si possono avere alcuni di quelli che hanno ampiamente usato un argento e un oro;

l'oro di nuovo è uno dei più diffusi - hai anche l'ossido di ferro, entrambi vengono utilizzati come agenti di contrasto.
Hai doti quantistici che vengono usati abbastanza con l'imaging, per lo più di fluorescenza. Il quantum dot ha anche alcune limitazioni perché alcuni dei metalli che vengono utilizzati potrebbero essere tossici, ma poi il campo si è evoluto abbastanza da essere in grado di fare in modo che; questi sono non tossici almeno per il momento in cui sono richiesti.
Quindi, uno dei vantaggi con le tutte queste particelle è la loro risposta ottica è abbastanza sintonizzabile. Quindi, è possibile ottenere diversi tipi di risposta ottica in base alla dimensione in forma.
Quindi, per le particelle d'oro ad esempio, se si ha una particella di forma a barre contro una particella sferica; scoprirete che la particella a forma di canna ha assorbenza in prossimità di circa 600 - 700 nanometri mentre la forma sferica è di circa 530.
Quindi, si può essenzialmente sintonia che e a seconda della lunghezza della canna, si può iniziare ulteriormente per sintonia su questo. E poi come ho detto, visto che la superficie ora è piuttosto grande rispetto al volume; per almeno per gli scenari delle particelle quando si arriva a nano regimi, si può ancora caricare abbastanza farmaci anche per la consegna della droga; quindi, quelli sono alcuni dei vantaggi con le particelle di metallo.
Uno di svantaggio ovviamente, è non degradabile; quindi questo è uno svantaggio nella maggior parte dei casi. Se continuo ad ottenere un'iniezione di queste particelle di metallo, non possono essere sdoganate dal nostro corpo perché sono grandi possono degradarsi. Quindi, cosa succede? Si accumuleranno solo nel mio corpo nel corso del tempo potrebbero raggiungere livelli tossici.

(Riferimento Slide Time: 22.33)

E in termini di sintesi prima di tutto i risultati di sintesi in particelle estremamente disperse. Voglio dire che stiamo parlando di forse variazione di lasciarci dire 1 nanometri in ogni dimensione al max.
Quindi, in tal modo sono estremamente monodispersi e buoni per l'applicazione di ricerca. E ancora come le particelle polimeriche di cui abbiamo parlato quando si parla di sintetizzarle in diverse forme e dimensioni diverse; sono metodi ben consolidati. Si può partire dai sali, si possono ridurli a causa di una riduzione chimica o di qualche altro metodo a un singolo atomo che poi inizierà il clustering.
E si possono far crescere questi cluster fino alla gamma di dimensioni che si desidera e le persone hanno mostrato questo per tutti i tipi di dimensioni, fino a scendere da 1 nanometri a livelli di micron.
Quindi, questo non è un problema; si può prendere un metallo sfuso, si possono fare alcuni metodi fisici o gli approcci dall'alto verso il basso, si può usare l'ablazione laser, si può macinare, si può multarlo, è possibile ridurlo ulteriormente fino a qualunque livello desiderato. E quindi entrambi questi metodi sono ben accettati e ben utilizzati in campo. Quindi, gli approcci più alti, come detto, includeranno la macinazione e la fresatura; in basso verso gli approcci tipicamente si richiede la riduzione chimica.

(Riferimento Slide Time: 23.52)

E poi i loro usi, soprattutto l'oro è molto diffuso per gli agenti di contrasto e per la fluorescenza. Quindi, le particelle di nano sferiche a seconda della gamma di dimensioni avranno colori diversi e diverse assorbenze. E poi similmente nano - rods avranno anche diversi rapporti di aspetto, ovvero il rapporto di lunghezza alla larghezza. Quindi, se questo è di 1 nanometri e diciamo che questo è 4 nanometro e poi l'aspetto rapporto non è nulla, ma 4 entro il 1 che è 4. Quindi, a seconda del rapporto di aspetto otterrete fluorescenza e assorbanza diverse anche per i nanorodi. Quindi, sono stati utilizzati per varie applicazioni, sono stati utilizzati per la terapia fototermica; quindi queste cose assorbono la luce e si riscalderanno davvero.
Quindi, questo si riscalderà e la temperatura locale intorno a queste particelle aumenterà fino a livelli molto alti - fino a lasciarci dire 60 ° grado Celsius, 70 grado Celsius e questi possono essere poi utilizzati per uccidere qualunque cellula si trovi nel circostante. Quindi, potete immaginare uno scenario in cui queste particelle di metallo si accumulano; diciamo in un tessuto tumorale. E poi voi esternamente date loro qualche luce; diciamo che è un cancro della pelle e sono solo particelle applicate topicamente, allora si può solo dare loro qualche luce che causi l'interruzione delle cellule tumorali; la morte delle cellule tumorali a causa del riscaldamento locale di queste particelle e così è un modo.
E sono stati utilizzati per l'imaging a raggi X perché ovviamente sono non trasparenti ai raggi X. Quindi, ovunque si accumulino, daranno molto più contrasto a quella regione e sono stati utilizzati in sensori abbastanza; la terapia fotodinamica oltre che

consegna di droga. Così, è possibile coniugare il farmaco sulle superfici e rilasciarlo nel tempo e ottenere una sufficiente concentrazione del farmaco.
(Riferimento Slide Time: 25:53)

Un altro concetto se andiamo a parlare di questo autostop delle particelle. Quindi, questo non c'entra nulla con la proprietà delle particelle, ma questo è qualcosa che le persone stanno usando per far sì che le particelle circolino più a lungo.
Allora, che cosa è fatto qui? Che si può davvero se le particelle scorrono da sole nel vaso sanguigno. Quindi, diciamo che se questo è un vaso sanguigno e questa è la tua particella semplicemente scorre da sola; ciò che può accadere è qualsiasi cellula immunitaria può arrivare e ordinare questo. Ma cosa succede se coniuga la particella per lasciarci dire qualcosa che il corpo considera "sé" - diciamo la cellula del corpo, diciamo la RBCs. Quindi, quello che accadrà è ora che le cellule immunitari non attaccano i RBCs perché pensano che questo sia uno dei loro e le vostre particelle possono poi circolare e alla fine si degraderà a rilasciare qualunque farmaco che stanno portando.
Quindi, RBCs e le cellule immunitari stesse un bersaglio molto attraente, si utilizzano vari metodi come l'adsorbimento o la coniugazione chimica a questi. Anche se dobbiamo stare attenti a non influenzare la funzione della cellula ospite stessa. Ecco, ecco un esempio; qui si vede che avevano queste particelle verdi che poi hanno adsorbito sulla RBC. E poi questi sono stati mostrati a causa di questo adsorbimento; possono circolare nel corpo molto più a lungo che lasciarci dire le singole particelle che si auto.

Quindi, quello che si può fare è isolare un po' di sangue, incubare le tue particelle lasciandole adsorare sui RBCs. E poi si può infondere nuovamente nel paziente e queste particelle continueranno poi a circolare fino a quando la RBC circola o si degradano.
Quindi, ci fermeremo qui; nella prossima classe parleremo di adsorbimento proteico.
Grazie.