方法論記事

磁気および感熱性ポリ（ N - イソプロピルアクリルアミド）ベースのミクロゲル

DOI：

10.3791/55648

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2017年7月4日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Polymer Science and Engineering, National Taiwan University, 2Department of Materials Engineering, Ming Chi University of Technology, 3Department of Metallurgy and Materials Engineering, Bandung Institute of Technology and Science, 4Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, 5Department of Materials Science and Engineering, National Taiwan University

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この原稿では、化学反応を伴わない温度誘導エマルジョンによる磁気感熱性ミクロゲルの調製について説明します。これらの感受性ミクロゲルは、磁気的および熱的に誘発される薬物放出における潜在的な使用のためにポリ（ N-イソプロピルアクリルアミド ）（PNIPAAm）、ポリエチレンイミン（PEI）およびFe 3 O 4 -NH 2ナノ粒子を混合することによって合成された。

要約

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カプセル封入抗癌剤クルクミン（Cur）を有する磁気的および熱的に敏感なポリ（ N-イソプロピルアクリルアミド ）（PNIPAAm）/ Fe 3 O 4 -NH 2ミクロゲルを設計し、磁気誘発放出のために製造した。 PNIPAAm、ポリエチレンイミン（PEI）およびFe 3 O 4 -NH 2磁性ナノ粒子を混合することによる物理的架橋の後に、温度誘導エマルジョンを介して球状構造を有するPNIPAAmベースの磁性ミクロゲルを製造した。それらの分散性のために、Fe 3 O 4 -NH 2ナノ粒子はポリマーマトリックスの内部に埋め込まれた。 Fe 3 O 4 -NH 2およびPEI表面上に露出したアミン基は、PNIPAAmのアミド基と物理的に架橋することによって球状構造を支持した。疎水性抗癌剤クルクミンは、マイクロゲルへのカプセル化後に水中に分散させることができる。ミクロゲルを特徴付けした透過型電子顕微鏡（TEM）、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）、およびUV-Visスペクトル分析によって測定した。さらに、外部からの高周波磁界（HFMF）下で磁気的に誘発された放出を研究した。磁気誘導加熱（温熱療法）効果のために、HFMFをマイクロゲルに適用した後に、クルクミンの有意な「バースト放出」が観察された。この原稿では、Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2カプセル化クルクミンの磁気誘発制御放出が記載されており、これは腫瘍治療に潜在的に適用することができる。

概要

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ヒドロゲルは、溶解できないが水溶液1中で膨潤することができる三次元（3D）ポリマーネットワークである。ポリマーネットワークは、親水性ドメイン（ヒドロゲル構造を提供するために水和することができる）および架橋構造（ネットワークの崩壊を防止することができる）を有する。乳化重合、アニオン共重合、隣接するポリマー鎖の架橋、逆マイクロ乳化重合などのヒドロゲルの調製のための様々な方法が研究されている2 。構造的に安定なヒドロゲル1,3を得るために、物理的および化学的架橋をこれらの方法を通して導入する。化学的架橋は、通常、ポリマーの主鎖または側鎖を連結する架橋剤の関与を必要とする。化学的架橋と比較して、物理的架橋はfabrにとってより良い選択であるこれらの薬剤はしばしば実用上有毒であるため、架橋剤を避けることによりヒドロゲルを調製することができる4 。イオン相互作用による架橋、結晶化、両親媒性ブロック間の結合またはポリマー鎖上でのグラフト化、水素結合4,5,6,7などの物理的架橋架橋ヒドロゲルを合成するためのいくつかのアプローチが研究されている。

様々な環境条件（ すなわち 、温度、pH、光、イオン強度および磁場）に応答して、立体配座的、化学的または物理的特性変化を起こすことができる刺激感受性ポリマーは、最近、制御放出システムのための潜在的プラットフォームとして注目されている、薬物送達、および抗癌療法8,9 、PNIPAAmは、親水性アミド基と疎水性イソプロピル基の両方を含有する熱感受性ポリマーであり、より低い臨界溶液温度を有する（LCST） 13 .アミド基と水分子との間の水素結合は、低温（LCST未満）での水溶液中でのPNIPAAmの分散性を提供し、ポリマー鎖間の水素結合は高温（LCSTより上）ポリマー鎖の疎水性及び親水性比を調整することにより、温度誘発自己組織化ヒドロゲルを調製するための多くの報告が公表されている（例えば、共重合、グラフト化、医薬品のための鎖修飾カルプラットフォーム14,15,16,17を含む。

鉄、コバルト、ニッケルなどの磁性材料も、過去数十年間、生化学用途に注目されています18 。それらの候補の中でも、酸化鉄は、その安定性および低毒性のために最も広く使用されている。ナノサイズの酸化鉄は、磁場に即座に反応し、超常磁性原子として振舞う。しかしながら、このような小さな粒子は容易に凝集する。これは表面エネルギーを減少させ、したがってそれらはそれらの分散性を失う。水分散性を改善するために、層を保護するためのグラフト化またはコーティングは、安定性のために個々の粒子を分離するだけでなく、反応部位19をさらに官能化するために一般に適用される。

ここでは、磁気PNIPAAmベースのマイクロゲルを制御放出系のための薬物担体として役立たせる。合成プロセスは、 図1に記載され、示されている。複雑な共重合および化学的架橋の代わりに、追加の界面活性剤または架橋剤を用いずにミクロゲルを得るために、PNIPAAmの新規な温度誘起エマルションとそれに続く物理的架橋を用いた。これにより、合成が単純化され、望ましくない毒性が防止された。そのような簡単な調製プロトコルの中で、合成されたままのミクロゲルは、磁性酸化鉄ナノ粒子および疎水性抗癌剤クルクミンの両方に水分散性を提供した。 FT-IR、TEMおよびイメージングは​​、分散および封入の証拠を提供した。埋め込まれたFe 3 O 4 -NH 2のために、磁性ミクロゲルは、HFMFの制御放出のためのマイクロデバイスとして役立つ可能性を示した。

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プロトコル

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1.表面改質された水分散性磁性ナノ粒子、Fe 3 O 4およびFe 3 O 4 -NH 2の合成

  1. FeCl 3 14.02g、FeCl 2・4H 2 O 8.6gおよび水250mLを500mLビーカーに加える。
  2. ロータとコントローラを接続して機械的に攪拌します。室温（RT）で30分間、300rpmで溶液を混合する。
  3. この溶液に25mLの水酸化アンモニウム（33％）を室温で添加し、30分間撹拌（300rpm）し続ける。ビーカーを開いたままにしておきます。
    注意：水酸化アンモニウムは、吸入すると鼻に刺激を与えることがあります。このステップは、適切なヒュームフード内で行う必要があります。
  4. 磁性酸化鉄（Fe 3 O 4 ）を回収するには、機械的攪拌をはずします。ビーカーの下に磁石を入れて黒い粒子を集める。
    1. Fe 3 O 4ナノ粒子が完全に沈殿した後、上清を慎重に除去する。 bを振ってはいけないFe 3 O 4の損失を避けるために上清を注いだ。
    2. 磁石を取り外し、新鮮な水50 mLをビーカーに加えます。
    3. Fe 3 O 4を再分散させるためにビーカーを振盪する。 Fe 3 O 4を精製するために、ステップ1.4から1.4.2を3回繰り返す。
  5. 最後の洗浄の後、すべてのFe 3 O 4 （10g）を100mLガラス瓶に移す。全溶液量が100mLになるまで水を加える。塊が見えなくなるまでガラス瓶を激しく振る。
    注記：ここではプロトコルを一時停止することができます。 Fe 3 O 4ナノ粒子を調製する。
  6. Fe 3 O 4をアミノシラン（Fe 3 O 4 -NH 2 ）で修飾する。
    1. ステップ1.5の100mL溶液を取り出し、1000mLビーカーに移す。アンモニア溶液10mL、水90mLおよびエタノール900mLをビーカーに加える。
    2. 磁気攪拌棒を使用して、溶液を300rpm。 500μLの（3-アミノプロピル）トリエトキシシラン（APTES）を室温でビーカーに滴下し、さらに12時間撹拌する。
  7. 1.4節で述べたようにFe 3 O 4 -NH 2を精製して回収する。
  8. 20mLのガラス瓶にFe 3 O 4 -NH 2 （工程1.7から）1gを水20mLで再分散させる。
    注記：ここではプロトコルを一時停止することができます。 Fe 3 O 4 -NH 2ナノ粒子を調製する。

2.熱誘導エマルションによる有機 - 無機ハイブリッドミクロゲルの合成

  1. 溶液1-1および1-2の調製。
    1. 溶液1-1については、0.25mLのPNIPAAm、5mLのFe 3 O 4溶液（ステップ1.5から）、および0.2gのPEIを50mLガラス瓶に加える。 20mLの水を加え、マグネチックスターラーバーを用いて300rpmで30分間撹拌する。
    2. 溶液1-2については、ステップ2.1.1を繰り返すが、Fe 3 O 4をFe3 O 4 -NH 2溶液（工程1.8から）。
  2. 溶液2を調製するために、PEI0.8gおよび水18.2mLを50mLガラス瓶に加える。水浴を用いて溶液を70℃で30分間加熱する。 ソリューション2の2番目のボトルを準備します。
  3. PNIPAAm / Fe 3 O 4の調製。
    1. 超音波破砕機を使用して超音波処理（50W）し、電磁攪拌棒を攪拌（300rpm）し、水浴を用いて溶液2 （70℃）を加熱する。
    2. 1mL /分の速度で3mLのシリンジを用いて、加熱された溶液2に溶液1-1を滴下する。
    3. 70℃で30分間超音波処理、撹拌および加熱を続ける。
    4. 溶液を室温に冷却する。細胞破壊装置と水槽から溶液を除去する。
    5. 磁石をガラス瓶の近くに置いてミクロゲルを収集する。
    6. 上清を除去するafマイクロゲルはガラス瓶の底に沈殿した。
    7. ガラス瓶にさらに25mLの水を加え、ボルテックスによりミクロゲルを再分散させる。この溶液はPNIPAAm / Fe 3 O 4である 。
      注記：ここではプロトコルを一時停止することができます。
  4. PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2の調製。
    1. 超音波破砕機を使用して超音波処理（50W）し、電磁攪拌棒を攪拌（300rpm）し、水浴を用いて溶液2 （70℃）を加熱する。
    2. 1mL /分の速度で3mLシリンジを用いて溶液1-2を加熱溶液2に滴下する。
    3. 70℃で30分間超音波処理、撹拌および加熱を続ける。
    4. 溶液を室温に冷却する。細胞破壊装置と水槽から溶液を除去する。
    5. 磁石をガラス瓶の近くに置いてミクロゲルを収集する。
    6. ミクロゲルが沈殿したら、上清。
    7. ガラス瓶にさらに25mLの水を加え、ボルテックスによりミクロゲルを再分散させる。この溶液は、PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2である 。
      注記：ここではプロトコルを一時停止することができます。

3.クルクミンを充填したミクロゲル（Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ）

注：これらの手順は、暗闇で実行する必要があります。

  1. 100mLのCurおよび20mLのエタノールを20mLのガラス瓶に加える。
  2. 2 mLのCur溶液を取り、PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液に移す（ステップ2.4.7）。 400rpmおよび室温で一晩撹拌する。
  3. 400 rpmおよびRTで一晩撹拌した後、ステップ2.4.5および2.4.6に記載されているように、磁石を用いてPNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2を収集する。
  4. ガラス瓶にさらに25mLの水を加え、ボルテックスによりミクロゲルを再分散させる。この解はC ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 。

4.磁気的に誘発された薬物放出

  1. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液10 mLを移し、2 mLの水を15 mLの遠心チューブに加えます。
  2. HFMF 20を適用するために遠心チューブをコイルの中心に置きます。 HFMFを15KHzで20分間印加する。
  3. 0.5mlのHFMF溶液を抜き、HFMFを適用しながら2分間隔で新鮮な0.5mlの水と交換する。
  4. 回収した溶液を1mLキュベットに移す。
  5. 取り出した溶液の吸収を482 nmのUV / Visで測定する21 。
  6. 標準検量線22からの吸収と濃度の関係を用いて、放出された薬物の濃度を決定する。
    注記：標準校正関係は次のとおりです。
    s / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    ここで、相関係数は0.9993である。

磁気マイクロゲルの特徴付け

  1. 熱重量分析器（TGA） 23 。
    1. PNIPAAm / Fe 3 O 4およびPNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2の重量損失対空気雰囲気下でのTGAによる重量損失を測定する。
      1. 試料を室温から100℃まで加熱し、湿度を排除するためにこの温度で10分間保持する。試料を100℃から800℃まで10℃/分の速度で加熱する。サンプルを秤量する。
      2. PNIPAAm / Fe 3 O 4とPNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2の両方の温度に対する減量をプロットする。
        注：残留重量はFe 3 O 4またはFe 3 O 4 -NH 2のいずれかであり、損失重量はPNIPAAmである。
  2. FT-IR"> 24。
    1. 10mgの試料を1gのKBrと共に100℃で一晩乾燥させる。
    2. 次のステップ（5.2.2.1~5.2.2.5）に記載されているように、ステップ5.2.1の混合物をペレットにする：
      1. 乳鉢と乳棒を用いて、ステップ5.2.1の材料を微粉末に粉砕する。
      2. 組み立てた装置（モルタルと乳棒）をペレットプレスに入れます。プレス機の真ん中に装置を合わせます。
      3. 20,000 psiの圧力に達するまでプレスをポンプで動かします。ペレットをその圧力で5分間放置させる。
        注意：プレスの真ん中に装置を合わせないと、サンプルがモルタルから飛散し、暴露によるけがの原因となります。
      4. プレスからペレットとピストンを含むダイを取り出します。
      5. 逆さまにして、ピストンを押してペレットを押し出します。
    3. FT-IRによる試料のFT-IR吸収スペクトルを400〜4000cm -1の範囲の周波数で記録する-1の分解能を有する24 。
  3. TEMによる形態学的観察25 。
    1. コロジオンでコーティングされた銅グリッド上にサンプル溶液を滴下し、RTまたは70℃のオーブンで一晩乾燥させます。
    2. TEM画像を撮る。
      注：強い電子ビームはサンプルを損傷する可能性があります。したがって、TEM画像はできるだけ早く撮影する必要があります。
  4. ポリマーおよびミクロゲルの水性分散能。
    1. PNIPAAm溶液を調製するには、7 mLのガラス瓶に7 mgのPNIPAAmと7 mLの水を加えます。凝集物がなくなるまで溶液を混合するためにボルテックスを使用する。
    2. PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液を調製するには、0.7mLのPNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（ステップ2.4.7）を7mLガラス瓶に移し、6.3mLの水を加える。沈殿がなくなるまで溶液を混合するためにボルテックスを使用する。
    3. Cur-PNIPAAを準備するにはm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液を添加し、7mLのガラス瓶に0.7mLのCur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（ステップ3.4）を移し、6.3mLの水を加える。沈殿がなくなるまで溶液を混合するためにボルテックスを使用する。
    4. デジタルカメラを使用して、ソリューションの写真を撮ってください（ステップ5.4.1 - 5.4.3）。
    5. 溶液をオーブンに入れ、温度を70℃に設定する。平衡に達するまで2時間待つ。
    6. ソリューションの別の写真を撮ってください。温度を維持するには、1分以内に撮影してください。ガラスボトルを振るのを避け、沈殿物を再分散させることができます。
  5. ミクロゲルの磁気収集のために、強い磁石をCur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液の近くに配置する（ステップ5.4.3）。ミクロゲルが完全に集まるまで待ってから、写真を撮ります。
    1. 磁石を取り外し、ミクロゲル溶液を十分に分散するまでボルテックスする。別の写真を撮る

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結果

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PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2ミクロゲルの合成の概略図を図1に示す。 TGAを適用して、ミクロゲル全体に対する有機化合物の相対組成を推定した。有機化合物PNIPAAmのみを燃焼させることができるので、PNIPAAmとFe 3 O 4 （またはFe 3 O 4 -NH 2 ）の相対組成が決定され、 表1に示されている。なぜPNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2ミクロゲルはより良い分散性を示すが、鉄酸化物の含有量はより少ないのか？ PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2におけるPNIPAAm / Fe 3 O...

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ディスカッション

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調製の最も重要なステップは、熱誘導エマルジョンによる磁性ミクロゲルの合成に関するプロトコールセクション2にある。 図2 （TEM画像）に示されるように、PNIPAAm（アミド基）、PEI（アミン基）、およびアミノ基の間の強いH結合に起因する物理的架橋のために、ミクロゲルの球状構造をRTで維持することができFe 3 O 4 -NH 2 （アミン基）である。 図4の比較に基づいて、磁気ミクロゲルは低温（25℃）または高温（70℃）で良好に分散する。また、 図5に示すように、ミクロゲルをマグネットで回収し、均質溶液に再分散させることもできます 。

疎水性モノマーと親水性モノマーの両方で合成されたヒドロゲルの従来の調製は、通常、3Dを得るための架橋剤の導入を必要とするネットワーク4,5,6...

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開示事項

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著者には開示がありません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この研究は、台湾の科学技術省（MOST 104-2221-E-131-010、MOST 105-2622-E-131-001-CC2）の財政的支援を受けており、部分的には原子・分子科学研究所、アカデミアシニカ。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)Polyscience, Inc21458-10Mw ~40,000
(3-アミノプロピル)トリメトキシシランSigma-Aldrich440140> 99 %
塩化鉄(II) 四水和物Sigma-Aldrich4493999%
塩化鉄(III)Sigma-Aldrich15774097%
クルクミンSigma-Aldrich
水酸化アンモニアフィッシャーケミカルA/3240/PB1535%
リン酸緩衝生理食塩水Sigma-Aldrich806552pH 7.4、液体、滅菌ろ過ポリエチレン
イミン (PEI)Sigma-AldrichP314350 % (w/v) in water
高周波磁界 (HFMF)Lantech Industrial Co., Ltd.,TaiwanLT-15-8015 kV, 50–100 kHz
紫外可視分光光度計Thermo Scientific Co.ジェネシス
透過型電子顕微鏡(TEM)JEM-2100日本電子
フーリエ変換赤外分光法(FTIR)パーキンエルマースペクトル100
熱重量分析装置パーキンエルマーパイリス1
超音波細胞破壊器ヒールシャー超音波UP50H
00280590

参考文献

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