Caratteristiche di incapsulamento e di permeabilità di plasma particelle polimerizzate Hollow
16 agosto 2012
Abbiamo usato maggiore plasma deposizione di vapore chimico per depositare pellicole sottili che variano da pochi nm a 100 nm su diverse particelle nanodimensionate di vari materiali. Abbiamo successivamente etch del materiale del nucleo per produrre nanoshells cave cui permeabilità è controllata dallo spessore del guscio. Abbiamo caratterizzano la permeabilità di questi rivestimenti piccoli soluti e dimostrano che queste barriere possono fornire un rilascio prolungato del materiale del nucleo più giorni.
L'obiettivo generale di questo esperimento è ricoprire nanoparticelle, nano-polveri o particelle di farmaco con un polimero al plasma al fine di controllare il rilascio del materiale interno. Iniziare preparando nanoparticelle di silicio o nano-polveri di cloruro di calcio per la deposizione, rompendo eventuali agglomerati. Successivamente, posizionare le particelle in un reattore al plasma e ricoprire le nanoparticelle mediante polimerizzazione al plasma dell'isopropanolo, utilizzando la deposizione chimica da vapore assistita da plasma.
Successivamente, per determinare la permeabilità del rivestimento depositato, sciogliere i materiali del nucleo in un solvente appropriato monitorando la concentrazione. I risultati ottenuti mostrano la permeabilità del materiale del nucleo in base alle misurazioni della conducibilità ionica in una sospensione di particelle rivestite in acqua. L'idea per questo metodo proviene dalla letteratura sulla deposizione di film. È stato svolto molto lavoro sulla deposizione al plasma di film sottili e su substrati piani, ma non sulle particelle.
Adattando il metodo di rivestimento alle particelle, si aprono possibilità per nuovi nanomateriali. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché vari passaggi sono difficili da apprendere in quanto richiedono di lavorare in un ambiente a plasma a bassa pressione. Anam Shavan è una studentessa laureata del mio laboratorio, e ora illustrerà questa procedura.
Per prima cosa, lavare le particelle di silice secche con etanolo puro. Lasciare il campione sotto cappa per far evaporare l'umidità. Successivamente, setacciare le particelle attraverso una serie di maglie metalliche.
Per rompere eventuali agglomerati rimanenti, trasferire le particelle insieme a una piccola barretta magnetica nella zona di plasma del reattore tubolare. Posizionare ora una guarnizione ad anello all'estremità del tubo di vetro, un'altra all'estremità del tubo collegato alla pompa e sigillare il reattore di vetro. Installare la fascetta di serraggio in acciaio inossidabile attorno ai flange F e serrare a mano la vite sulla fascetta.
Riempire la trappola con azoto liquido. Quando le superfici della trappola sono fredde, aggiungere isopropanolo nel borbottatore e collegarlo al reattore al plasma.
Successivamente, posizionare un anello di gomma attorno al tubo metallico e serrare il dado per sigillare il tubo al collegamento del boccaglio. Posizionare il boccaglio in un bagno d'acqua a 34 gradi Celsius. Accendere il regolatore di flusso del gas Argonne e impostare un valore di sei SCCM con la pompa accesa.
Aprire gradualmente la valvola a saracinesca che collega il tubo di vetro alla pompa. Eseguire questo passaggio con attenzione, poiché un aumento improvviso della pressione potrebbe causare il trascinamento delle particelle dal flusso. Quando la pressione raggiunge 200 milli, lasciare completamente aperta la valvola a saracinesca, posizionare un agitatore magnetico sotto il tubo di vetro e impostare la velocità a 100 giri al minuto.
Successivamente, collegare l'anello di alluminio intorno al reattore in vetro tubolare al generatore di radiofrequenza e collegare la fascetta in acciaio inox a massa. Accendere la rete di adattamento dell'impedenza. Successivamente, accendere l'alimentazione in corrente alternata e il generatore di potenza a radiofrequenza.
Impostare la potenza a 30 watt per l'intero processo. Dopo un determinato intervallo di tempo, spegnere rispettivamente il generatore RF del circuito di adattamento dell'impedenza e l'alimentazione in corrente alternata. Chiudere la valvola di non ritorno e quindi spegnere il regolatore di flusso dell'argon.
Scollegare il boccaglio dalla valvola e aumentare gradualmente la pressione del reattore fino a quella atmosferica. Aprire ora la pinza e, utilizzando una spatola metallica, trasferire le particelle dal tubo in una capsula di plastica. L'acido fluoridrico è un acido molto corrosivo.
L'esposizione di tale sostanza a occhi e pelle può causare danni permanenti. Indossare quindi occhiali di sicurezza, schermo facciale e camice da laboratorio. Posizionare il campione sotto cappa per l'intero processo di aggiunta dell'acido fluoridrico.
Per prima cosa, diluire 10 millilitri di acido fluoridrico con 10 millilitri di acqua deionizzata. Quindi aggiungere la soluzione acida alle particelle rivestite. Porre su un agitatore magnetico per 24 ore per sciogliere il nucleo.
Dopo un giorno, diluire il campione con 50 millilitri di acqua deionizzata e centrifugare. Scartare il liquido sovrastante in un contenitore di plastica e trasferire lo strato di particelle inferiore in una capsula di Petri di plastica. Lavare le particelle con etanolo ed essiccarle all'aria; trasferire le particelle cave in un vial con tappo e conservare il campione in un essiccatore.
Riempire la bottiglia di vetro dell'atomizzatore a flusso costante con cloruro di potassio millimolare e installare il tappo della bottiglia. Collegare il tubo dell'aria compressa a un essiccatore a membrana, che è collegato all'ingresso del gas dell'atomizzatore. Quindi, fissare un filtro al tubo di uscita per raccogliere le nanoparticelle di cloruro di potassio.
Aprire gradualmente la valvola dell'aria compressa verso l'essiccatore a membrana. Lasciare che le particelle si accumulino sul filtro per cinque ore. Chiudere la valvola dell'aria compressa.
Rimuovere con attenzione il filtro e raccogliere le particelle. Collocare il campione in un essiccatore per ricoprire in modo uniforme le particelle di cloruro di potassio, preparando il sistema a vuoto e seguendo il processo di deposizione al plasma come mostrato in precedenza. In un vial di vetro, aggiungere 10 millilitri di acqua deionizzata al cloruro di potassio ricoperto e mescolare con un agitatore magnetico.
Incubare il campione a 25 gradi Celsius. Inserire la sonda del misuratore di conducibilità nel vial. Registrare la conducibilità per 30 giorni.
Questo processo può essere applicato a una varietà di materiali di base, inclusi ossidi, sali e metalli. Queste immagini ottenute mediante microscopia elettronica a trasmissione mostrano l'uniformità radiale dei film e la misura dello spessore delle particelle rivestite, che varia da 37 nanometri a 200 nanometri di diametro. La cella polimerizzata al plasma costituisce una barriera permeabile, come dimostrato dal fatto che il materiale di base può essere rimosso mediante attacco chimico o dissoluzione dopo che la rimozione del nucleo di silice è completa.
La uniformità radiale e lo spessore dei film sono piuttosto elevati ai fini della valutazione della permeabilità attraverso questi film. Un materiale centrale di cloruro di potassio permette di monitorare la dissoluzione del cloruro di potassio misurando la conducibilità ionica della soluzione. In questo esperimento, particelle di cloruro di potassio rivestite sono state sospese in acqua e la conducibilità della soluzione è stata seguita per un periodo di 30 giorni.
Le particelle di cloruro di potassio non rivestite nel campione di controllo si sono disciolte in un tempo molto breve, di circa un minuto. Al contrario, il cloruro di potassio rivestito mostra una velocità di rilascio significativamente più lenta. Il profilo di rilascio delle particelle rivestite è caratterizzato da un rilascio iniziale rapido che avviene entro la prima ora, seguito da un rilascio molto più lento che richiede diversi giorni per completarsi, a seconda dello spessore del film.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come incapsulare nanoparticelle in rivestimenti a base di plasma con uno spessore ben controllato. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa un'ora. Se eseguita correttamente, ricorda di maneggiare il reattore con cura per evitare perdite di pressione che impedirebbero al plasma di funzionare correttamente dopo il suo sviluppo. Speriamo che questa tecnica apra la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali.
Ulteriori esperimenti in vivo possono rispondere ad altre domande, come, qual è il materiale e lo spessore del rivestimento migliori per un rilascio efficace del farmaco?
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Panoramica
Questo studio si concentra sul rivestimento di nanoparticelle con polimeri al plasma per controllare il rilascio di materiali del nucleo. Mediante deposizione chimica da vapore assistita da plasma, vengono depositati film sottili su particelle di dimensioni nanometriche, che successivamente vengono attaccate per creare nanogusci cavi. Viene caratterizzata la permeabilità di questi rivestimenti, dimostrandone il potenziale per applicazioni di rilascio prolungato.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Nanotecnologia
- Scienza dei materiali
- Sistemi di somministrazione dei farmaci
Sfondo
- La polimerizzazione al plasma è una tecnica utilizzata per rivestire superfici.
- Si possono depositare film sottili su vari substrati, inclusi nanoparticelle.
- Il controllo della permeabilità è fondamentale per applicazioni di rilascio di farmaci.
- Studi precedenti si sono concentrati su substrati piani piuttosto che su particelle.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per rivestire nanoparticelle con polimeri al plasma.
- Controllare il rilascio di materiali del nucleo da questi rivestimenti.
- Caratterizzare la permeabilità dei rivestimenti nei confronti di soluti di piccole dimensioni.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di nanoparticelle di silicio o di polveri nano di cloruro di calcio.
- Rivestimento delle nanoparticelle mediante deposizione chimica da vapore assistita da plasma.
- Incisione dei materiali del nucleo per produrre nanogusci cavi.
- Misurazione della conducibilità ionica per valutare la permeabilità.
Risultati principali
- Deposizione riuscita di film sottili su particelle di dimensioni nanometriche.
- Creazione di nanogusci cavi con permeabilità controllata.
- Dimostrazione di un rilascio prolungato dei materiali del nucleo per diversi giorni.
- Caratterizzazione della permeabilità basata su misurazioni di conducibilità ionica.
Conclusioni
- Il metodo consente un controllo preciso sul rilascio dei materiali.
- I nanogusci cavi possono essere progettati per applicazioni specifiche nella somministrazione di farmaci.
- Questo approccio amplia l'applicazione delle tecniche di deposizione al plasma alle nanoparticelle.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo protocollo consente un controllo preciso sulla cinetica di rilascio del soluto mediante uno spessore regolabile del rivestimento polimerico al plasma, supportando direttamente la riduzione dei rischi meccanicistici nella formulazione precoce dei sistemi di somministrazione di farmaci. Quantificando la permeabilità attraverso misurazioni della conducibilità ionica, fornisce un'affidabilità predittiva sui profili di rilascio prolungato, orientando le decisioni di selezione preclinica sui candidati. L'approccio affronta una lacuna traslazionale fondamentale: l'adattamento della deposizione di film sottile su substrati piani a sistemi particellati per la sintesi riproducibile di nanomateriali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione dell'Obiettivo
- Valore scientifico: Permette l'analisi dei meccanismi di rilascio isolando lo spessore dello strato come variabile indipendente per modulare i coefficienti di diffusione.
- Valore operativo: Genera dati quantitativi sulla permeabilità a partire da misurazioni della conducibilità ionica, supportando la verifica delle ipotesi sull'efficacia della barriera.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Produce particelle cave standardizzate con uniformità radiale del film, garantendo profili di dissoluzione riproducibili tra diversi lotti.
- Valore operativo: Stabilisce un segnale di lettura compatibile con il controllo di qualità (conduttività della soluzione) per lo screening ad alto rendimento di formulazioni di rivestimento.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Dimostra profili di rilascio dipendenti dallo spessore (da 6 ore a 30 giorni), consentendo la previsione delle prestazioni in vivo a partire da dati di permeabilità in vitro.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma per valutare la stabilità del sistema core-shell in condizioni fisiologiche prima di studi sugli animali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso dallo sviluppo alla fase preclinica generando nanogusci caratterizzati per il rilascio, che forniscono informazioni per la progettazione della formulazione prima dell'ottimizzazione del composto leader.
- Biologia della scoperta: Supporta la riduzione del rischio meccanicistico correlando lo spessore del guscio con le velocità di diffusione dei soluti mediante saggi quantitativi di permeabilità.
- Screening: Permette la creazione di librerie di particelle pronte per i saggi con permeabilità controllata, per valutare l'efficienza di incapsulamento.
- Analisi: Fornisce misurazioni quantitative di variabili dipendenti (conduttività ionica nel tempo) per modellare la cinetica di rilascio e confrontare le variabili di formulazione.
- Ricerca traslazionale: Collega la fase di scoperta al lavoro preclinico fornendo dati sul rilascio che informano la progettazione dei regimi posologici.
- Riutilizzo aziendale: Il processo di deposizione al plasma è adattabile a diversi materiali di base (ossidi, sali, metalli), favorendo lo sviluppo di tecnologie di piattaforma.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Fiducia predittiva nella cinetica di rilascio attraverso la misurazione diretta dei coefficienti di permeabilità.
- Valore operativo: Rivestimento standardizzato di nanoparticelle mediante PECVD garantisce riproducibilità tra lotti nello spessore e nell'uniformità del rivestimento.
- Valore strategico: Consente un avanzamento proporzionato al rischio identificando gli spessori del rivestimento che soddisfano le finestre di rilascio desiderate.
- Impatto sul portafoglio: Supporta il triage delle formulazioni ordinando i candidati in base alla capacità di rilascio prolungato.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze nell'uso di reattori al plasma e sistemi a vuoto.
- Strumentazione per PECVD, monitoraggio della conducibilità e analisi della dimensione delle particelle (TEM/DLS).
- Standardizzazione dei protocolli di dissoluzione del nucleo per diversi tipi di materiale.
- Considerazioni adattative per materiali del nucleo idrofili rispetto a quelli idrofobici.
- Limitazione pratica: la manipolazione dell'HF richiede protocolli di sicurezza specifici per l'incisione del nucleo.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:37
Preparation of Silica Nanoparticles for Deposition
2:23
Preparation of the Vacuum System
2:47
Plasma Deposition Process
4:27
Preparation of Hollow Particles by Dissolution of Core Material
5:36
Characterization of Permeability (Rate of Core Release)
6:56
Results: Plasma Polymerized Hollow Particles
8:40
Conclusion
