Bionano Electronics: Magneto-Electric Nanoparticles for Drug Delivery, Brain Stimulation and Imaging Applications

Nanoparticles are often considered as efficient drug delivery vehicles for precisely dispensing the therapeutic payloads specifically to the diseased sites in the patient’s body, thereby minimizing the toxic side effects of the payloads on the healthy tissue. However, the fundamental physics that underlies the nanoparticles’ intrinsic interaction with the surrounding cells is inadequately elucidated. The ability of the nanoparticles to precisely control the release of its payloads externally (on-demand) without depending on the physiological conditions of the target sites has the potential to enable patient- and disease-specific nanomedicine, also known as Personalized NanoMedicine (PNM). In this dissertation, magneto-electric nanoparticles (MENs) were utilized for the first time to enable important functions, such as (i) field-controlled high-efficacy dissipation-free targeted drug delivery system and on-demand release at the sub-cellular level, (ii) non-invasive energy-efficient stimulation of deep brain tissue at body temperature, and (iii) a high-sensitivity contrasting agent to map the neuronal activity in the brain non-invasively. First, this dissertation specifically focuses on using MENs as energy-efficient and dissipation-free field-controlled nano-vehicle for targeted delivery and on-demand release of a anti-cancer Paclitaxel (Taxol) drug and a anti-HIV AZT 5’-triphosphate (AZTTP) drug from 30-nm MENs (CoFe2O4-BaTiO3) by applying low-energy DC and low-frequency (below 1000 Hz) AC fields to separate the functions of delivery and release, respectively. Second, this dissertation focuses on the use of MENs to non-invasively stimulate the deep brain neuronal activity via application of a low energy and low frequency external magnetic field to activate intrinsic electric dipoles at the cellular level through numerical simulations. Third, this dissertation describes the use of MENs to track the neuronal activities in the brain (non-invasively) using a magnetic resonance and a magnetic nanoparticle imaging by monitoring the changes in the magnetization of the MENs surrounding the neuronal tissue under different states. The potential therapeutic and diagnostic impact of this innovative and novel study is highly significant not only in HIV-AIDS, Cancer, Parkinson’s and Alzheimer’s disease but also in many CNS and other diseases, where the ability to remotely control targeted drug delivery/release, and diagnostics is the key.

Revêtement intelligent à base des silices mésoporeuses fonctionnalisées pour le relargage stimulé d’agents antimicrobiens

Les biofilms bactériens sont composés d’organismes unicellulaires vivants au sein d’une matrice protectrice, formée de macromolécules naturelles. Des biofilms non désirés peuvent avoir un certain nombre de conséquences néfastes, par exemple la diminution du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleurs, l’obstruction de membranes poreuses, la contamination des surfaces coques de navires, etc. Par ailleurs, les bactéries pathogènes qui prolifèrent dans un biofilm posent également un danger pour la santé s’ils croissent sur des surfaces médicales synthétiques comme des implants biomédicaux, cathéters ou des lentilles de vue. De plus, la croissance sur le tissu naturel par certaines souches des bactéries peut être fatale, comme Pseudomonas aeruginosa dans les poumons. Cependant, la présence de biofilms reste difficile à traiter, car les bactéries sont protégées par une matrice extracellulaire. Pour tenter de remédier à ces problèmes, nous proposons de développer une surface antisalissure (antifouling) qui libère sur demande des agents antimicrobiens. La proximité et la disposition du système de relargage placé sous le biofilm, assureront une utilisation plus efficace des molécules antimicrobiennes et minimiseront les effets secondaires de ces dernières. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation d’une couche de particules de silice mésoporeuses comme agents de livraison d’agents antimicrobiens. Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) ont démontré un fort potentiel pour la livraison ciblée d’agents thérapeutiques et bioactifs. Leur utilisation en nano médecine découle de leurs propriétés de porosité intéressantes, de la taille et de la forme ajustable de ces particules, de la chimie de leur surface et leur biocompatibilité. Ces propriétés offrent une flexibilité pour diverses applications. De plus, il est possible de les charger avec différentes molécules ou biomolécules (de tailles variées, allant de l’ibuprofène à l’ARN) et d’exercer un contrôle précis des paramètres d’adsorption et des cinétiques de relargage (désorption). Mots Clés : biofilms, nanoparticules de silice mésoporeuses, microfluidique, surface antisalissure.