사이클로 덱스트린 Nanosponge 히드로 겔에서 이부 프로 펜 캡슐화의 전송 특성 : 양성자 HR-MAS NMR 분광학 연구

본 연구의 전반적인 목적은 사이클로덱스트린 나노스펀지의 합성과 이를 약물이 탑재된 하이드로겔로 변환하는 과정을 보여주고, 고해상도 매직각 회전 핵자기 공명 분광법(high-resolution magic angle spinning, nuclear magnetic resonance spectroscopy)을 통해 하이드로겔 내부의 약물 확산도를 연구하는 것입니다. 사이클로덱스트린 나노스펀지는 사이클로덱스트린(CDs)과 EDTA DNA dried 간의 단계 성장 중합을 통해 제조됩니다. 별도의 언급이 없는 한, 본 연구에서 사용된 CD 단위 네트워크는 유기 및 무기 종을 흡수하고 방출할 수 있는 형태입니다.

고해상도 매직 각 회전(magic angle spinning) NMR의 주요 장점은 약물 전달에 활용 가능성이 있는 고분자 호스트 내에 캡슐화된 약물의 전달 특성을 모니터링할 수 있다는 것입니다. 합성 방법은 매우 간단하며, 상온에서 수행됩니다. 단계 성장 중합 반응은 약 10분 만에 완료됩니다.

우리는 고분자 수소 매트릭스에 포획된 약물의 예시로, 실제 6배 희석 전달을 대표하는 ibuprofen을 선택하였습니다. $\beta$-cyclodextrin을 100 °C 오븐에서 항량이 될 때까지 건조하십시오. 또한, 프로토콜에 사용하기 전 250 mL의 DMSO와 100 mL의 triethylamine을 4 $\text{\AA}$ 분자체(molecular sieves)로 24시간 동안 건조하십시오.

50 mL 단구 라운드 바텀 플라스크에 DMSO 25 mL를 넣습니다. 마그네틱 교반 하에 beta-cyclodextrin 5.675 g을 첨가합니다. 덩어리가 형성되는 것을 줄이기 위해 beta-cyclodextrin 분말을 DMSO에 소량씩 나누어 첨가하십시오.

약 30분 후, 10 mL graduaded pipette를 사용하여 6 mL의 triethylamine을 균질한 용액에 첨가합니다. 플라스크를 실온으로 유지되는 수조에 넣고 15분 동안 혼합물을 교반합니다. cyclodextrin nanosponge one-four를 제조하려면, 강하게 교반하면서 5.124 g의 EDTA dianhydride를 첨가합니다.

사이클로덱스트린 나노스펀지 1-8을 준비하려면, 격렬하게 교반하면서 EDTA dianhydride 10.248 g을 첨가하십시오. 3시간 후, 스패튤라를 사용하여 플라스크에서 사이클로덱스트린 나노스펀지인 고체 물질을 제거하고 막자와 막자사발로 거칠게 분쇄하십시오. 고체 물질을 아세톤 배스에서 세척한 다음, 거름종이 위에서 고체 물질을 세척 및 여과하십시오.

모든 고체 물질을 실온의 공기 중에서 48시간 동안 건조시킨 후, 막자와 유발을 사용하여 건조된 물질을 미세하게 분쇄합니다. 그 다음, 45 °C에서 2시간 동안 진공 상태로 유지합니다. 고해상도 매직각 회전(magic angle spinning) NMR 시료 준비를 위해, 먼저 중수(deuterated water)에 0.27 M ibuprofen sodium salt 용액을 준비합니다.

2 mL 유리 바이알에 150 µL의 용액과 20 mg의 cyclodextrin nanosponge one-four, 그리고 2 mg의 무수 탄산나트륨을 첨가합니다. 바이알의 내용물을 작은 스패튤라로 섞어 균질화합니다. cyclodextrin nanosponge one-eight 폴리머에 대해서도 이 과정을 반복합니다.

균질하고 완벽하게 팽창된 하이드로겔을 얻는 것이 양질의 HR mass NMR 스펙트럼을 얻기 위한 첫 번째 핵심 단계입니다. 하이드로겔을 NMR 로터에 넣을 때는 로터 회전에 오류를 일으킬 수 있는 기포가 생기지 않도록 매우 주의해야 합니다. 작은 스패출러를 사용하여 HR mass 실험에 적합한 5mm NMR 로터에 겔을 삽입하십시오.

그런 다음, 로터를 NMR 분광계의 마그넷에 삽입합니다. 마그넷에 삽입되면 공압 장치를 사용하여 로터를 최대 4,000 hertz까지 회전시킵니다. HR mass proton NMR 실험을 수행하려면, 질량 공압 제어 장치에서 로터 회전 속도를 4 kHz로 설정하고, 가변 온도 장치에서 시료 온도를 305 kelvin으로 설정합니다.

양성자 공명에서 펄스 구배 스핀-에코 펄스 시퀀스를 사용하여 사이클로덱스트린 나노스펀지 1-4 및 사이클로덱스트린 나노스펀지 1-8 하이드로겔 내 이부프로펜의 확산 HR 질량 스펙트럼을 얻기 위해 1차원 스펙트럼을 측정합니다. 확산 실험은 BP led 펄스 시퀀스를 사용하여 수행합니다. 이는 간접 차원에서 구배 강도가 2%에서 100%까지 선형적으로 증가하는 구배 램프를 갖는 의사 2차원 실험입니다.

신호 강도는 확산 시간과 그래디언트 펄스 P30에 따라 감쇠됩니다. 실험을 적절하게 수행하기 전에 이러한 매개변수들에 대한 최적화가 필요합니다. 최적화는 확산 시간을 일정하게 유지하면서 P30을 변화시켜 두 번의 1차원 측정을 수행함으로써 이루어집니다.

확산 시간을 50에서 200 밀리초 범위로 증가시켜 가변 확산 시간 측정을 수행합니다. 각 실험마다 32개의 스펙트럼 어레이를 수집합니다. 그 후, 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 데이터를 처리하십시오.

기본적인 펄스 자기장 경사 스핀-에코 실험을 통해 하이드로젤 내 ibuprofen의 분자 평균 제곱 변위를 측정할 수 있습니다. 경사 자기장의 세기가 증가함에 따라 NMR 신호 강도가 감쇠합니다. 감쇠 피팅을 통해 Z-제곱으로 표시되는 분자 평균 제곱 변위를 구할 수 있습니다.

결과적으로, 평균 제곱 변위는 확산 체제의 유형과 관련이 있습니다. alpha 지수는 확산 시간의 함수로서의 평균 제곱 변위를 로그-로그 선형 회귀 분석하여 실험적으로 얻습니다. alpha 지수의 값은 하이드로젤 매트릭스 내에서 이부프로펜에 대해 관찰된 확산 체제의 기술자입니다.

alpha가 1일 때 등방성 무제한 확산이 일어납니다. alpha 값이 1보다 작으면 아확산 영역임을 나타냅니다. 그리고 alpha 값이 1보다 크면 초확산 영역으로 나타납니다.

하이드로젤 매트릭스에 포집된 이부프로펜은 폴리머 준비 과정에 따라 두 가지 서로 다른 확산 영역을 보여줍니다. 나노스펀지 1-4의 하이드로젤은 아확산(subdiffusive) 영역을 나타냅니다. 반대로, 나노스펀지 1-8의 하이드로젤은 약간의 초확산(superdiffusive) 영역이 특징입니다.

이 반응을 숙달하면 적절히 수행했을 때 한 시간 내에 높은 수율과 순도로 완료할 수 있습니다. 이 물질들은 점성 하이드로겔을 형성하여 수분을 흡수하는 흥미로운 능력을 보여주며, 이 하이드로겔 내에 생물학적 활성 분자를 쉽게 통합할 수 있습니다. 이러한 고분자 매트릭스에 캡슐화된 생물학적 활성 분자의 전달 특성 내 분자 상태는 HMS NMR 기술을 사용하여 실험적으로 연구할 수 있습니다.

사이클로덱스트린 나노스펀지로 제조된 하이드로겔 내 이부프로펜의 확산에 대한 NMR 결과는 고분자의 적절한 조제를 통해 확산을 조절할 수 있음을 나타냅니다. 이부프로펜은 사이클로덱스트린 나노스펀지 하이드로겔에서 아확산(subdiffusive) 및 초확산(superdiffusive) 영역을 모두 보여줍니다. 이러한 발견은 사이클로덱스트린 나노스펀지 하이드로겔 스캐폴드의 방출 특성을 독창적으로 설계하는 데 활용될 수 있습니다.