Summary
Bevegelses regimer ibuprofen innkapslet i -cyklodekstrin nanosponges polymernettverk blir undersøkt ved hjelp av pulset-field-gradient spin-ekko (PGSE) NMR teknikk. Syntese, rensing, medikamentbelastning, gjennomføring av NMR-pulssekvensen og data-analyse for å regne ut den midlere kvadrat forskyvningen av legemiddel ved flere observasjonstider er beskrevet i detalj.
Abstract
Den kjemiske tverrbinding av β-cyklodekstrin (β-CD) med etylendiamin dianhydrid (EDTA) førte til forgrenede polymerer refereres til som cyclodextrin nanosponges (CDNSEDTA). To forskjellige fremstillinger er beskrevet med 1: 4 og 1: 8 CD-EDTA-molforhold. De tilsvarende tverrbundne polymerer ble bragt i kontakt med 0,27 M vandig oppløsning av ibuprofen-natriumsalt (IP) som fører til homogene, fargeløse, narkotika lastet hydrogeler.
Systemene ble preget av høy oppløsning magi vinkel spinne (HR-MAS) NMR-spektroskopi. Pulset feltgradient spinnekko (PGSE) NMR-spektroskopi ble anvendt for å bestemme den midlere kvadrat forskyvning (MSD) av IP inne den polymere gelen til forskjellige observasjons tider t d. Dataene ble ytterligere behandlet for å studere tidsavhengigheten av MSD: MSD = f (t d). Den foreslåtte metoden er nyttig for å karakterisere de ulike spredningsregimer som,I prinsippet kan det oppløste stoff opplever inne i hydrogelen, nemlig normal eller unormal diffusjon. De fullstendige protokoller inkludert polymer fremstilling og rensing, oppnåelse av legemiddel lastet hydrogeler, NMR-prøvepreparering, er målingen av MSD ved HR-MAS NMR-spektroskopi og den endelige dataprosessering for å oppnå tidsavhengigheten av MSD er her rapportert og diskutert . De presenterte eksperimenter representerer et paradigmatisk case og dataene blir diskutert i form av innovativ tilnærming til karakterisering av transportegenskaper en innkapslet gjest innenfor en polymer rekke potensielle søknad om levering av legemidler.
Introduction
Det er en økende interesse for design og utforming av polymere systemer i stand til innfanging, via ikke-kovalente interaksjoner, små molekyler med potensial biokjemisk aktivitet. Slike materialer er forventet å finne anvendelser i transporten av det aktive prinsipp til selektiv mål og slipper ved innvirkning av ytre stimuli, slik som pH-variasjoner, temperatur, etc. I denne sammenheng hydrogeler vist seg å være fleksible og sterke materialer for nanomedisin med henblikk på kontrollert frigivelse av legemidler 1. Dannelsen av polymere hydrogeler kan oppnås ved sammenkobling av de makromolekylære kjedene av i) fysikalske, ikke-kovalente interaksjoner som hydrogenbindinger, ii) kovalent tverrbinding av kjedene som fører til et tredimensjonalt nettverk i stand til å svelle i nærvær av en vandig oppløsning eller iii) en kombinasjon av de to nevnte metoder 2-4.
En særlig allsidig klasse av tre-dimensional, svellbare polymerer for innkapsling av organisk og uorganisk art kan oppnås ved å starte fra naturlig β-cyklodekstrin (β-CD) via kondensasjon med egnede, aktiverte derivater av en tetracarboxylsyre 5-8 gir opphav til cyklodekstrin nanosponges (ILN). Syntesen, karakterisering og anvendelse av CDNs er en konsolidert forskningstema for vår gruppe. De siste års resultater viser at CDNs viser spennende egenskaper hevelse, absorpsjon / inkludering av kjemikalier og utslipp av små stoffmolekyler, med anvendelser i kontrollert frigjøring av farmasøytiske aktive ingredienser 9 - 11 og miljøkjemi 12-14.
Gitt disse lokalene, to store problemer som skal løses angår effektiv mengde av den aktive forbindelse i den polymere gelen og en bedre forståelse av oppløste stoffer mobilitet i gel-matriser 15 16,17. Pulset felt-gradient spin-ekko (PGSE) NMR-spektroskopi er en veletablert metode strukturelle mye brukt til å studere translatorisk diffusjon av små molekyler i løsningsmidler 18 eller selv-diffusjon av rene væsker. Den nylige utviklinger av høy oppløsning magisk vinkelspinning (HR-MAS) NMR-teknologi har gjort det mulig å samle høyoppløselige NMR-data for mobile molekyler i heterogene suspensjoner 19, geler og svellbare polymerer 20,21. Faktisk, den eksperimentelle oppsettet kombinere HR-MAS NMR-spektroskopi og PGSE pulssekvensen gir en unik mulighet til å observere de oppløste molekyler i vertens molekylære miljø. Viktige data på band egenskapene til innesluttet medikament-molekylet i en gelmatriks kan således oppnås. Høy kvalitet eksperimentelle data kan dermed være obtained slik at en mer rasjonell utforming av nanostrukturerte host-gjestesystemer.
I det foreliggende arbeid vi beskrive detaljerte protokoller for de følgende trinn: i) syntese og rensing av to forskjellige formulering av CDNs tverrbundet med EDTA-polymerer (figur 1), referert til som CDNSEDTA, og kjennetegnes ved forskjellig CD / tverrbindemiddel molar forhold: 1: 4 (CDNSEDTA 1: 4) og 1: 8 (CDNSEDTA 1: 8); ii) utarbeidelse av legemiddel lastet hydrogeler for både CDNSEDTA 1: 4 og CDNSEDTA 1: 8. I dette trinnet brukte vi, som modell medikamentmolekylet, den populære ikke-steroide anti-inflammatoriske ibuprofen-natriumsalt (IP); iii) grundig undersøkelse av transportegenskaper IP innenfor CDNSEDTA hydrogeler via PGSE-HRMAS NMR-spektroskopi. Fremgangsmåten foreslår vi her er basert på måling av middelkvadrat forskyvning (MSD) av innkapslet legemiddel i hydrogelen, etterfulgt av analyse av tidsavhengigheten av MSD.
Vi wish å understreke at den metodikk som er beskrevet ovenfor - som er fokusert på tidsavhengigheten av stoffets MDS i matrisen - gir et bredere spektrum av informasjon i forhold til det konsoliderte metodikk basert på bestemmelsen av stoffet er diffusjonskoeffisienten bare. Vi har nylig demonstrerte 21 at denne tilnærmingen er tillatt for diskriminering av normale og unormale spredningsregimer oppleves av IP innesperret i CDNs hydrogeler.
Vi mener derfor at det trinn-for-trinn beskrivelse av polymersyntese / rensing dannelsen av legemiddelbelastede hydrogeler, HR-MAS NMR-karakterisering og databehandling av MDS data, er et kraftig verktøy for forskere som er interessert i karakteriserende nanostrukturerte systemer for innesperring og frigjøring av små molekyler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntese av CDNSEDTA Polymers
- Tørr β-cyklodekstrin (β-CD) i en ovn ved 80 ° C i 4 timer før bruk. Tørr 500 ml dimetylsulfoksyd (DMSO) og 100 ml trietylamin (Et3N) over molekylsikter (4 Å) i 24 timer før de brukes i en protokoll.
- Introduser 25 ml DMSO i en 50 ml en-halset rundbunnet kolbe. Under magnetisk omrøring, tilsett 5,675 g β-CD (5 mmol). For å redusere dannelsen av klumper, tilsett β-CD pulver i små porsjoner til DMSO.
- Etter omtrent 30 min, tilsett 6 ml Et3N til den homogene oppløsning under anvendelse av en 10 ml gradert pipette. Hold blandingen under omrøring i 15 minutter ved RT. Stupe kolbe i et vannbad ved romtemperatur.
MERK: Reaksjonen mellom β-CD og EDTA er eksoterm. Derfor, stuper kolben inn i vannbadet favoriserer varmeveksling unngå overoppheting av reaksjonsblandingen. - Legg 5,124 g (20 mmol, utarbeidelse av CDNSEDTEn 1: 4) eller 10,248 g (40 mmol, fremstilling av CDNSEDTA 1: 8) av EDTA-dianhydrid under intens omrøring.
- Etter tre timer, tar det faste materialet (CDNSEDTA 1: 4 eller CDNSEDTA 1: 8) fra kolbe med en slikkepott og knuse den grovt med en morter.
- Vask det faste materiale på filterpapir med aceton ved romtemperatur (100 ml x 5 ganger), med HCI 0,1 M (200 ml x 5 ganger), og deionisert vann (200 ml x 3 ganger).
- Til slutt, tørr alt det faste materialet i luft ved RT i 48 timer, knuse den fint i en morter og pistill og deretter holde den under vakuum (<15 mbar) i 2 timer ved 45 ° C.
Fig. 1: Skjematisk fremstilling av CDNSEDTA Polymers Skjematisk syntetisk rute. Venstre: molekylære strukturen av monomer β-cyklodekstrin (β-CD) og tverrbindingsmidlet EDTA-dianhydrid. På pilen den generelle reaksjonsbetingelsene. Ikke sant.: Skisse av tverrbundet polymer Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
2. HR-MAS NMR-målinger
- HR-MAS NMR Prøvepreparering
- Forbered en løsning 0,27 M ibuprofen natriumsaltet (IP) i deuterert vann (99,8%).
- Tilsett 20 mg CDNSEDTA 1: 4 og 2 mg vannfritt natriumkarbonat (Na 2 CO 3) til 150 ul av oppløsningen fremstilt ved det punkt 2.1.1) inn i en 2 ml hetteglass. Bland innholdet av ampullen med en liten spatel for å homogenisere det. Vent i 2 timer før bruk av gelen som dannes med denne fremgangsmåten. Gjenta dette punkt for CDNSEDTA 1: 8 polymer.
- Sett gelen i et 5 mm NMR-rotor egnet til HR-MAS NMR-eksperimenter ved hjelp av en liten spatel. Den totale mengden av gel til bruk avhenger av det indre volumet av rotoren (12 pl anbefales).
- HR-MAS 1 H NMR eksperimenter
- Angi følgende instrumentelle parametere: rotor sentrifugehastighet på 4 KHz på MAS pneumatisk styringsenhet, prøvetemperatur på 305 K i variabel temperatur enhet.
- Erverve 1H HR-MAS NMR-spektra av ibuprofen i CDNSEDTA (1: 4) og CDNSEDTA (1: 8) polymersystemer ved hjelp av en konvensjonell pulssekvens på proton-resonans.
- Opprett et nytt datasett. Klikk på "AcquPars" -kategorien. Velg PULPROG: zg.
- Velg antall skanninger (NS = 4) og tidsforsinkelsen mellom dem (D1 = 5 sek) .Still spektral bredde (SW = 8 ppm), tidsdomenet (TD = 16K) og mottakeren gevinst (RG = 32 ).
- Skriv "zg" på konsollen, og det vil være en induksjons decay (FID) på skjermen. For å behandle data, klikk på "ProcPars" -kategorien. Sett spektral størrelse (SI = 32K), en eksponensiell multiplikasjon vindu funksjon (WDW = EM) og linje utvidelse (LB = 1).Skriv "fot" for å utføre Fourier transformasjon. Fase spekteret hjelp av kategorien fasen på skjermen. Skaff en høyoppløselig godt løst spektrum.
Figur 2: Bipolare Puls Pairs Longitudinal Eddy Current Delay (BPPLED) pulssekvens Skjematisk fremstilling av pulssekvens brukes til å utføre de PFGSE eksperimenter.. Fasen syklus for 90 ° pulsene er: P1: (0) 16, P2: (0022) 4, P3: (0) 4 (2) 4 (1) 4 (3) 4, P4: (0202 2020 1313 3131 ), P5: (0) 4 (2) 4 (1) 4 (3) 4. De 180 ° pulser + x. (modifisert fra ref.18) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- HR-MAS 1 MERK: PGSE eksperimenter er utført ved hjelp av BPPLED pulssekvens 18 rapportert i figur 2. Dette er en pseudo to-dimensjonalt eksperiment med en gradient rampe øker lineært fra 2% til 100% i den indirekte dimensjon. Signalintensiteten blir dempet avhengig av diffusjon tid Δ og gradienten puls δ. Optimalisering av disse parametrene er nødvendig før du kjører ordentlig en PGSE eksperiment. Optimaliseringen gjøres ved å kjøre et par 1D målinger i hvilken Δ holdes konstant, mens δ er variert.
- parametere Optimization
- Opprett et nytt datasett - eksperiment nummer 1. Klikk på "AcquPars" -kategorien. Velg PULPROG: ledbpgp2s1d 1D pulssekvens for diffusjon optimalisering.
- Velg antall skanninger (NS = 16) og tidsforsinkelsen mellom dem (D1 = 10 sek). Sett spektral bredde (SW = 8 ppm), tHan tidsdomene (TD = 16K) og mottakerforsterkningen (RG = 32).
- Satt Δ (D20 i sekvensen) som er lik en konstant verdi og δ (P30) til en prøveverdi. Begynn verdi Δ = 50 msek, δ = 3 ms (maksimalt tillatt verdi for høyoppløselige instrumenter).
- Les verdien av spektral frekvens (SFO1) fra en H eksperiment og bruker nå denne verdien. Sett GPZ6 gradient styrke til 2%. Gjenta trinn 2.2.2.3. Bruk dette spekteret som referanse for optimalisering.
- I samme datasett skape forsøket nummer 2. Observer alle de eksperimentelle parametre. Øke GPZ6 gradient styrke til 95%. Gjenta trinn 2.2.2.3. Sammenlign dette spektrum med referansespektrumet ved hjelp av to skjermer ikonet og observere endringen i signalintensiteten.
MERK: En godt dempet spektrum bør ha omtrent 5% restsignalintensitet i forhold til referansespekteret. Hvis signalintensiteten er tapt, redusere verdien av δ og resterte avsnittet 2.3.1 prosedyren fra punkt 2.3.1.3 til riktig verdi for δ er funnet. - Gjenta parametere optimalisering prosedyren i avsnitt 2.3.1 for alle de fem Δ verdier.
MERK: Velg fem verdi for Δ = 50, 80, 110, 140 og 170 millisekunder og optimalisert den tilsvarende δ til 3, 2,7, 2,4, 2,1, 1,8 msek (IP i CDNSEDTA 1: 8), og til S til 2.7, 2.4 , 2, 1,7, 1,4 (for IP i i CDNSEDTA 1: 4).
- Oppkjøp av 2D Diffusion datasett
- I de samme datasett skape eksperimentet nummer tre, vil alle 1D eksperimentelle parametre lastes. Skriv "eda". Velg PULPROG: ledbpgp2s 2D pulssekvens og endre parmode til 2D.
- Sett FnMODE = QF. Still tidsdomenet TD i F2 dimensjon lik 32 og antallet gradvise trinn. Alle andre parametere er satt riktig. Skriv "DOSY" og gradienten rampe vil bli generert og lagret i en fil. den start og endelige verdier av rampen (2-95) er gitt som inngangsparametre. Oppkjøpet er nå i gang.
- parametere Optimization
- Databehandling
- Skriv "xf2" for å utføre Fourier transformasjon i F2 dimensjon. Skriv "abs2" for å utføre grunnlinjen korreksjon i F2 dimensjon. Type "setdiffparm" for å minnes de eksperimentelle parametre (g, δ, og gradient liste) for neste prosesstrinn.
- Klikk "T1 / T2 avslapping modul" i kategorien analyse og definere toppene som skal monteres ved hjelp av den første spekteret av 2D forsøket. Definer de travleste områdene og utføre montering. Signalintensitetene på hvert påført gradient trinn blir oppnådd.
MERK: Signal intensiteter I (q, t d), for hver Δ verdi, avhenger av de eksperimentelle variabler: tilført puls arkivert gradient (g), tid variabel (δ), magnetogyric ratio (γ) q = (γgδ) i henhold til den following ligning:
med molekyl MSD = z 2. - Eksportere signalintensiteter i et regneark og utføre en lineær tilpasning av dataene for å få verdien av z 2 for hver observert diffusjon tiden t d.
MERK: MSD verdien er relatert til observasjonstiden t d i henhold til:
- Utfør log-log plott av z 2 versus t d for hver forsøks t d verdi. Eksponenten α verdi er helningen av den lineære regresjon. En mer omfattende drøftelse av de fysiske aspektene ved likningene som er rapportert ovenfor kan bli funnet i ref. 21 og i referansene deri.
MERK: Avhengig av verdien av eksponentbit α, blir diffusjon regimet definert som: i) isotropt ubegrenset diffusjon for α = 1, ii) anomale subdiffusive regime for 0 <α <1, iii) anomale superdiffusive regime for α> 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi først brukt denne metoden til IP medikamentmolekylet oppløses i vannløsning for å kontrollere levedyktigheten til denne tilnærmingen. En fullstendig beskrivelse av de representative resultater kan finnes i ref. 21. Vi vil i stedet fokusere her på metodiske aspekter og nøtter-og-bolter tilnærming til datainnsamling og dataanalyse. Figur 3 viser i en semi-logaritmisk skala, normalisert eksperimentelle signal henfaller jeg (q, t d) / i (0, t d) som en funksjon av q 2 (i henhold til avsnitt 2.4). I tabell 1 er angitt de observerte MSD verdiene for hver diffusjon gang Δ. Den log-log plott av z 2 versus t d (figur 3) gir en linje med R 2 = 0,999 (i henhold til pkt 2.4). En skalerings eksponent α = 1 blir oppnådd for IP løst opp i D2O-oppløsning, noe som indikerer en Gaussisk bevegelse i den flytende oppløsningpå 0,27 M konsentrasjon. Bare i dette tilfelle den selv diffusjonskoeffisient kan følgelig beregnes som D = 4,1 * 10 -10 m 2 sek - 1, og er uavhengig av observasjonstid Δ.
Tabell 1:. Eksperimentelle MSD og S verdier MSD (m 2) måles i flere S (ms) for IP i D2O-oppløsning, IP i ILN (1: 4) og IP i ILN (1: 8) hydrogeler. (Modifisert fra ref. 21).
Figur 3:.. Plot av NMR Signal Decay og MSD Tid Dependence a) Normalisert NMR signal forfall I (q, t d) som funksjon av q 2 for IP i D 2 O løsning b) Log-log plott av MSD vs diffusjon tid t d forIP i D2O oppløsning. (modifisert fra ref. 21) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den eksperimentelle prosedyren har blitt brukt til å studere diffusjon bevegelse av IP medikamentmolekylet innkapslet i CDNSEDTA 1: 4 og CDNSEDTA 1: 8. Hydrogeler Figur 4 viser den normaliserte eksperimentelle signal avtar I (q, t d) / I (0, t d ) som funksjon av q 2. Bruke den lineære delen av forråtnelse for lineær tilpasning og deretter beregne MSD-verdier for ILN 1: 4 og ILN 1: 8 prøver (Tabell 1) fra helningen av det lineære tilpasning. Log-log plott av MSD versus t d (figur 5) gir en lineær sammenheng med R2 = 0,981 for IP i CDNSEDTA (1: 4), og en skalerings eksponent α = 0,64 som indikerer en under diffusive bevegelse av dr ug i den polymere gelen. Ved å bruke en lignende fremgangsmåte, bevegelsen regime for IP i CDNSEDTA (1: 8) polymer ble bestemt. Den lineær tilpasning av dataene gav en skalerings eksponent α = 1,06 med R2 = 0,972. Polymernettverket pålegger et svakt superdiffusive bevegelse til den lille medikamentmolekylet. Således den foreslåtte metoden gir tilgang til α eksponent av ligningen rapportert ved punkt 2.4.5 ved en to-trinns behandling av data. Den α verdi er en beskrivelse av diffusiv regimet observert for den gitte matrisen og gjestemolekyl.
Figur 4: Plot av NMR-signal Råte Normalisert NMR-signal forråtnelse I (q, t d) som funksjon av q 2 for IP i CDNSEDTA 1: 4. (A) og CDNSEDTA 1: 8 (b). (Modifisert fra ref. 21)mager "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5:. Tid Avhengighet av MDS log-log plott av MSD vs diffusjon tid t d for IP innkapslet i CDNSEDTA 1: 4 (a) og CDNSEDTA 1: 8 (b). (modifisert fra ref. 21) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi presenterer en eksperimentell metode for å bestemme diffusjon regime av en liten narkotika molekyl innkapslet inne to representative formuleringer av CDNSEDTA hydrogeler. HR-MAS NMR PGSE tillater bestemmelse av middelkvadrat forskyvning av små molekyler i en gitt diffusjon tid (i størrelsesorden noen få millisekunder opp til andre), deretter overvåking avstander i mikrometerskala. I det området som er observert (50 - 170 millisekunder) kun en type av bevegelse er observert for hvert studerte system. Det bør understrekes imidlertid at for lengre observasjonstid overgangen mellom ulike spredningsregimer kan observeres 22. Således blir resultatene rapportert her referert til tidsskalaen diktert av tilgjengelig maskinvare for eksperimentene og med instrumenteringen til rådighet.
For hvert trinn i dette arbeidet - polymer syntese, hydrogel lasting, HR-MAS NMR datainnsamling og prosessering, lister vi her tre største problemene end tilsvarende løsning.
rensing
Rensingen av materialene i henhold til fremgangsmåten beskrevet i punkt 1.6 tillater eliminering av DMSO, Et3N og av det uomsatte EDTA til slutt inneholdt i reaksjonsproduktet. Spesielt, vasking med 0,1 M HCI, vandig løsning fører til fullstendig fjerning av Et 3 N. Vasking av materialer med bare aceton er ikke effektiv for dette formål. Faktisk, Et3N er delvis til stede som Et 3 NH + ved slutten av reaksjonen med motioner COO- gitt av den tverrbundne EDTA.
NMR prøveopparbeidelse
Rotoren fylling er avgjørende skritt for prøveopparbeidelse (se 2.1.3). Tilstedeværelsen av luftboblene må unngås. Hvis luftbobler, er feil spinnende generelt oppdaget (f.eks, maksimal sentrifugehastigheten ikke nådd, spinner ikke starter i det hele tatt, ikke Uniform spinnende rate). I tilfelle av ikke-uniform spinning eller unnlatelse av å begynne å spinne rotoren, ekstrahere prøven og gjenta rotoren fylles mer nøye.
Analyse NMR data
I punkt 2.4.2 er det beskrevet hvordan du får tak MSD verdier fra intensitet forfall kurver. Svært ofte de eksperimentelle punktene ikke synes å følge en helt lineær trend vs q 2. I så fall må du bare bruke den lineære delen av datasettet og kjøre lineær regresjon.
De oppnådde resultater kan oppsummeres som følger:
D 2 O oppløsning
I dette enkle tilfellet viser MSD lineær avhengighet av diffusjonstiden Δ og IP-molekylet gjennomgå ubegrenset diffusjon i oppløsning. Dette tilfelle er vanligvis referert til som "normal" diffusjon. Den selv diffusjonskoeffisient kan direkte beregnes ut fra en enkelt måling som helst observasjons time t d. I en generell metode, kan målingen av diffusivitet i isotropisk, molekylløsningsmiddel bli tatt som referanse for å undersøke innflytelsen av stillaset på transportegenskapene av det innkapslede rom.
CDNSEDTA 1: 4 polymer
Den innfanging av IP i polymer hydrogel påvirker medikamenttransportegenskaper i forhold til vannoppløsningen. En subdiffusive bevegelse med α = 0,64 blir detektert. Den translatoriske bevegelse av medikamentmolekyler er hemmet ved nærvær av nanopores i forskjellige størrelser oppsto under tverrbindingsprosessen.
CDNSEDTA (1: 8) polymeren
I dette tilfellet er den uventede verdi α = 1,06 bestemmes, og således indikerer et svakt superdiffusive bevegelse regime. Følgelig er en akselerasjon virkning på partiklene MSD observert (tabell 1). Denne effekten kan tilskrives den negative elektriske potensial av den polymere backbone generert av karboksylgruppene negativt ladet i enkelte deler av CDNs polymer. Den elektrostatiske interaksjoner med de negativt ladede IP molekyler gir drivkraften for superdiffusive komponent i bevegelse.
Metoden beskrevet her gitt informasjon om diffusjon regimet oppleves av medikamentet i de forskjellige molekylære miljø som tilsvarer de to hydrogeler formulering gjennom verdien av de α eksponenten omtalt ovenfor. Denne tilnærmingen er av generell anvendbarhet og kan trygt foreslått som undersøker redskap av transportegenskapene av det innkapslede stoffet, med interessante fall-out for utforming av legemiddelavlevering-kontrollerte frigjøringssystemer. Det bør imidlertid tas i betraktning at resultatene som er presentert her lider av maskinvaren begrensning av instrumenteringen anvendt.
I tillegg kan noen begrensende faktorer for den generelle anvendelighet av fremgangsmåten være hypothesized: utarbeidelse av narkotika lastet geler med lipofile og / eller ikke-ladet narkotika, muligheten for sterk vedheft av stoffet til polymerskjelettet, og dermed fører til uløste NMR signaler og vanskeligheter med pH kontroll. Til slutt bør det nevnes at diffusjon NMR-data spenner ms tidsskala, mens den klassiske in vitro frigivelsesforsøk er avhengige av mye lengre tidsvinduer. Dette er et åpent punkt gjenstand for forskning og debatt. Som et mulig bidrag for å løse dette problemet, har vi nylig gjennomgått diffusjon data fra en modell stoffet i bibliotek av karbohydratbaserte hydrogeler og utledet en matematisk modell som forbinder målingene på molekylært nivå med de kinetiske data 23. Større samlinger av diffusjon data og bredere biblioteker av stillasene er under etterforskning for å avgrense og validere modellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HR-MAS probe | BRUKER | N/A | Probe for NMR measurements on semi-solid samples |
| NMR Spectrometer | BRUKER | DRX 500 | FT NMR spectrometer for liquid ans semi-solis state |
| β-cyclodextrin (β-CD) | Alfa-Aesar | J63161 | Reagent |
| Ethylenediaminetetracetic (EDTA) dianhydride | Sigma-Aldrich | 332046 | Reagent |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Alfa-Aesar | D0798 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283 | Base (reagent) |
| Ibuprofen (IP) sadium salt | Sigma-Aldrich | I1892 | Antinflammatory drug |
| Excel 2010 | Microsoft | N/A | speadsheet for data analysis |
| Origin 8 SR0 | OriginLab Co. | speadsheet for data analysis |
References
- Sharpe, L. A., Daily, A. M., Horava, S. D., Peppas, N. A. Therapeutic applications of hydrogels in oral drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv. 11, 901-915 (2014).
- Hennik, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv. Drug Deliv. Rev. 54, 13-36 (2002).
- Yu, L., Ding, J. D. Injectable hydrogels as unique biomedical materials. Chem. Soc. Rev. 37, 1473-1481 (2008).
- Ma, M., Kuang, Y., Gao, Y., Zhang, Y., Gao, P., Xu, B. Aromatic-Aromatic Interactions Induce the Self-Assembly of Pentapeptidic Derivatives in Water To Form Nanofibers and Supramolecular Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 132, 2719-2728 (2010).
- Trotta, F., Tumiatti, W. Patent WO. , 03/085002 (2003).
- Trotta, F., Tumiatti, W., Cavalli, R., Zerbinati, O., Roggero, C. M., Vallero, R. Ultrasound-assisted synthesis of cyclodextrinbased nanosponges. Patent WO. , 06/002814 (2006).
- Trotta, F., Cavalli, R. Characterization and applications of new hyper-cross-linked cyclodextrins. Compos. Interface. 16, 39-48 (2009).
- Cavalli, R., Trotta, F., Tumiatti, W. Cyclodextrin-based nanosponges for drug delivery. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 56, 209-213 (2006).
- Trotta, F., et al. Cyclodextrin-based nanosponges as a vehicle for antitumoral drugs. Patent WO. , 09/003656 (2009).
- Vyas, A., Shailendra, S., Swarnlata, S. Cyclodextrin based novel drug delivery systems. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 62, 23-42 (2008).
- Swaminathan, S., Vavia, P. R., Trotta, F., Torne, S.
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Gericke, G., Sithole, S. P. Cyclodextrin nanosponges in the removal of organic matter to produce water for power generation. Water SA. 34, 657-660 (2008).
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Nxumalo, E. N. Monofunctionalized cyclodextrin polymers for the removal of organic pollutants from water. Environ.Chem. Lett. 5, 79-84 (2007).
- Mhlanga, S. D., Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J. Removal of organic contaminants from water using nanosponge cyclodextrin polyurethanes. J. Chem. Technol. Biot. 82, 382-388 (2007).
- Lehmann, S., Seiffert, S., Richtering, W. Spatially Resolved Tracer Diffusion in Complex Responsive Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 134, 15963-15969 (2012).
- Ferrer, G. G., Pradas, M. M., Ribelles, J. L. G., Colomer, F. R., Castilla-Cortazar, I., Vidaurre, A. Influence of the nature of the porous confining network on the sorption, diffusion and mechanical properties of hydrogel IPNs. Eur. Polym. J. 46, 774-782 (2010).
- Santoro, M., Marchetti, P., Rossi, F., Perale, G., Castiglione, F., Mele, A., Masi, M. Smart approach to evaluate drug diffusivity in injectable agar-carbomer hydrogels for drug delivery. J. Phys. Chem B. 115, 2503-2510 (2011).
- Johnson, C. S. Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectroscopy. 34, 203-256 (1999).
- Viel, S., Ziarelli, F., Caldarelli, S. Enhanced diffusion-edited NMR spectroscopy of mixtures using chromatographic stationary phases. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 9696-9698 (2003).
- Alam, T. M., Hibbs, R. M. Characterization of heterogeneous solvent diffusion environments in anion exchange membranes. Macromolecules. 47, 1073-1084 (2014).
- Ferro, M., Castiglione, F., Punta, C., Melone, L., Panzeri, W., Rossi, B., Trotta, F., Mele, A. Anomalous diffusion of Ibuprofen in cyclodextrin nanosponges hydrogels: an HR-MAS NMR study. Beilstein J. Org. Chem. 10, 2715-2723 (2014).
- Wolf, G., Kleinpeter, E. Pulsed Field Gradient NMR Study of Anomalous Diffusion in a Lecithin-Based Microemulsion. Langmuir. 21, 6742-6752 (2005).
- Rossi, F., Castiglione, F., Ferro, M., Marchini, P., Mauri, E., Moioli, M., Mele, A., Masi, M. Drug-Polymer interactions in hydrogel-based drug-delivery systems: an experimental and theoretical study. Chem. Phys. Chem. , (2015).
