Charakterystyka enkapsulacji i przepuszczalności pustych cząstek polimeryzowanych w plazmie
16 sierpnia 2012
Wykorzystaliśmy chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą do osadzania cienkich warstw o grubości od kilku nm do kilkuset nm na nanocząsteczkach wykonanych z różnych materiałów. Następnie trawimy materiał rdzenia, aby wytworzyć puste w środku nanopowłoki, których przepuszczalność jest kontrolowana przez grubość powłoki. Charakteryzujemy przepuszczalność tych powłok dla małych substancji rozpuszczonych i wykazujemy, że bariery te mogą zapewniać przedłużone uwalnianie materiału rdzenia przez kilka dni.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest powlekanie nanocząstek, nanoproszków lub cząstek leku polimerem plazmowym w celu kontrolowania uwalniania materiału rdzenia. Należy rozpocząć od przygotowania nanocząstek krzemu lub nanoproszków chlorku wapnia do osadzania, rozbijając wszelkie aglomeraty. Następnie cząstki umieszcza się w reaktorze plazmowym i powleka nanocząstki poprzez polimeryzację plazmową izopropanolu z wykorzystaniem chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą.
Następnie, aby określić przepuszczalność naniesionej powłoki, należy rozpuścić materiały rdzenia w odpowiednim rozpuszczalniku, monitorując stężenie; uzyskane wyniki wykazują przepuszczalność materiału rdzenia na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego w zawiesinie powlekanych cząstek w wodzie. Pomysł na tę metodę zaczerpnięto z literatury dotyczącej nanoszenia filmów. Przeprowadzono wiele badań nad osadzaniem cienkich warstw metodą plazmową na płaskich podłożach, jednak nie na cząstkach.
Dzięki dostosowaniu metody powlekania do cząstek otwieramy możliwości tworzenia nowych nanomateriałów. Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ niektóre etapy są trudne do opanowania ze względu na konieczność pracy w środowisku plazmy niskociśnieniowej. Anam Shavan jest doktorantką z mojego laboratorium i teraz zaprezentuje ona tę procedurę.
Najpierw przemyj suche cząsteczki krzemionki czystym etanolem. Pozostaw próbkę w dygestorium w celu odparowania wilgoci. Następnie przesiej cząsteczki przez szereg metalowych sit.
Aby rozbić wszelkie pozostałe aglomeraty, przenieś cząstki wraz z małym mieszadłem magnetycznym do strefy plazmy reaktora rurowego. Następnie umieść jeden oring na końcu szklanej rurki, drugi na końcu rury połączonej z pompą i uszczelnij szklany reaktor. Zamontuj stalową obejmę wokół kołnierzy F i dokręć ręcznie śrubę obejmy.
Napełnij pułapkę z ciekłym azotem. Gdy powierzchnia pułapki będzie zimna, dodaj izopropanol do bulgotacza i podłącz go do reaktora plazmowego.
Następnie nałóż gumowy pierścień O-ring na metalną rurkę i dokręć nakrętkę, aby uszczelnić połączenie rurki z bąbelkownikiem. Umieść bąbelkownik w kąpieli wodnej o temperaturze 34 °C. Włącz kontroler przepływu gazu Argonne, uruchom pompę i ustaw wartość zadaną na poziomie 6 SCCM.
Stopniowo otwórz zawór suwakowy łączący szklaną rurkę z pompą. Wykonaj ten krok ostrożnie, ponieważ nagły wzrost ciśnienia może spowodować zdmuchnięcie cząsteczek przez strumień. Gdy ciśnienie osiągnie 200 milli, pozostaw zawór suwakowy całkowicie otwarty, umieść mieszadło magnetyczne pod szklaną rurką i ustaw prędkość na 100 RPM.
Następnie podłącz pierścień aluminiowy wokół rurkowatego reaktora szklanego do generatora częstotliwości radiowych, a zacisk ze stali nierdzewnej podłącz do masy. Włącz sieć dopasowującą. Następnie włącz zasilanie AC oraz generator mocy RF.
Ustaw moc na 30 watts dla całego procesu. Po upływie określonego czasu wyłącz generator RF sieci dopasowującej, a następnie zasilanie AC. Zamknij zawór zwrotny, a następnie wyłącz kontroler przepływu argonu.
Odłącz dyfuzor od zaworu i stopniowo zwiększ ciśnienie w reaktorze do poziomu atmosferycznego. Następnie otwórz zacisk i za pomocą metalnej szpatułki przenieś cząstki z probówki do plastikowego naczynia. Kwas fluorowodorowy jest kwasem silnie korozyjnym.
Kontakt tej substancji z oczami i skórą może spowodować trwałe uszkodzenia. Należy zatem stosować gogle, przyłbicę oraz fartuch laboratoryjny. Próbkę należy umieścić w dygestorium na cały czas procesu dodawania kwasu fluorowodorowego.
W pierwszej kolejności należy rozcieńczyć 10 mililitrów kwasu fluorowodorowego w 10 mililitrach wody dejonizowanej. Następnie roztwór kwasu należy dodać do powlekanych cząsteczek. Całość należy umieścić na mieszadle magnetycznym na 24 godziny w celu rozpuszczenia rdzenia.
Po jednym dniu rozcieńczyć próbkę 50 mililitrami wody dejonizowanej i odwirować. Górną warstwę cieczy przelać do plastikowego pojemnika, a dolną warstwę cząstek przenieść do plastikowej szalki Petriego. Przemyć cząstki etanolem i wysuszyć na powietrzu, następnie przenieść puste cząstki do fiolki z zakrętką i przechowywać próbkę w eksyكاتهrze.
Napełnić szklaną butelkę atomizera o stałym wydatku roztworem jeden milimolowym chlorku potasu, a następnie zamknąć ją nakrętką. Podłączyć wąż z powietrzem sprężonym do suszarki membranowej, która jest podłączona do wlotu gazu w atomizerze. Następnie do węża wylotowego przymocować filtr w celu zebrania nanocząsteczek chlorku potasu.
Stopniowo otwórz zawór sprężonego powietrza prowadzący do suszarki membranowej. Pozostaw cząsteczki do osadzania się na filtrze przez pięć godzin. Zamknij zawór sprężonego powietrza.
Ostrożnie wyjmij filtr i zbierz cząstki. Umieść próbkę w eksykatorze i równomiernie pokryj cząstki chlorku potasu, przygotowując układ próżniowy i postępując zgodnie z procesem osadzania plazmowego opisanym wcześniej. Do szklanej fiolki dodaj 10 ml wody dejonizowanej do pokrytego chlorku potasu i wymieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego.
Inkubować próbkę w temperaturze 25 °C. Wprowadzić sondę konduktometru do fiolki. Rejestrować przewodnictwo w ciągu 30 dni.
Proces ten można zastosować do różnych materiałów rdzeniowych, w tym tlenków, soli i metali. Obrazy te, uzyskane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, wykazują radialną jednorodność powłok; pomiary grubości wykazały, że powlekane cząstki mają średnicę od 37 nanometrów do 200 nanometrów. Polimeryzowana plazmowo otoczka stanowi barierę przepuszczalną, co potwierdza fakt, że materiał rdzeniowy może zostać usunięty poprzez trawienie lub rozpuszczanie po całkowitym usunięciu rdzenia krzemionkowego.
Jednorodność radialna oraz grubość powłok są wystarczająco wysokie dla potrzeb oceny przepuszczalności przez te filmy. Rdzeń z chlorku potasu umożliwia monitorowanie rozpuszczania chlorku potasu poprzez pomiar przewodnictwa jonowego roztworu. W tym doświadczeniu powlekone cząstki chlorku potasu zawieszono w wodzie, a przewodnictwo roztworu monitorowano przez okres 30 dni.
Niepowlekane cząsteczki chlorku potasu w próbce kontrolnej rozpuściły się w bardzo krótkim czasie, wynoszącym około jednej minuty. W przeciwieństwie do nich, powlekany chlorek potasu wykazuje znacznie wolniejszy stopień uwalniania. Profil uwalniania z powlekanych cząsteczek charakteryzuje się początkowym gwałtownym wyrzutem, który następuje w ciągu pierwszej godziny, a następnie znacznie wolniejszym uwalnianiem, którego całkowity przebieg trwa od kilku dni, w zależności od grubości warstwy filmu.
Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć sposób enkapsulacji nanocząsteczek w powłokach z plazmy o precyzyjnie kontrolowanej grubości; po opanowaniu ta technika może zostać wykonana w około godzinę. Jeśli procedura zostanie przeprowadzona prawidłowo, należy pamiętać o ostrożnym obchodzeniu się z reaktorem, aby uniknąć wycieków ciśnienia, które mogłyby uniemożliwić prawidłową pracę plazmy po jej wytworzeniu. Mamy nadzieję, że technika ta utoruje drogę badaczom w dziedzinie inżynierii materiałowej.
Dalsze eksperymenty in vivo mogą odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak: jaki materiał i grubość powłoki są najlepsze dla efektywnego uwalniania leku?
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza çalışma koncentruje się na powlekaniu nanocząsteczek polimerami plazmowymi w celu kontrolowania uwalniania materiałów rdzeniowych. Z wykorzystaniem chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą, na cząstkach o rozmiarach nanometrycznych osadza się cienkie warstwy, które następnie poddawano trawieniu w celu stworzenia pustych nanopowłok. Scharakteryzowano przepuszczalność tych powłok, wykazując ich potencjał w zastosowaniach związanych z przedłużonym uwalnianiem.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Nanotechnologia
- Inżynieria materiałowa
- Systemy dostarczania leków
Wstęp
- Polimeryzacja plazmowa jest techniką stosowaną do powlekania powierzchni.
- Cienkie warstwy mogą być osadzane na różnych podłożach, w tym na nanocząsteczkach.
- Kontrola przepuszczalności jest kluczowa w zastosowaniach dotyczących uwalniania leków.
- Poprzednie prace koncentrowały się na podłożach płaskich, a nie na cząstkach.
Cel badania
- Opracowanie metody powlekania nanocząsteczek polimerami plazmowymi.
- Kontrola uwalniania materiałów rdzenia z tych powłok.
- Charakterystyka przepuszczalności powłok dla małych substancji rozpuszczonych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie nanocząsteczek krzemu lub nanoproszków chlorku wapnia.
- Powlekanie nanocząsteczek przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą.
- Trawienie materiałów rdzeniowych w celu wytworzenia pustych naniosłon.
- Pomiar przewodnictwa jonowego w celu oceny przepuszczalności.
Główne wyniki
- Skuteczne nanoszenie cienkich warstw na cząstkach o rozmiarach nanometrycznych.
- Tworzenie pustych nanopowłok o kontrolowanej przepuszczalności.
- Wykazanie przedłużonego uwalniania materiałów rdzenia przez kilka dni.
- Charakterystyka przepuszczalności na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego.
Wnioski
- Metoda ta pozwala na precyzyjną kontrolę uwalniania materiałów.
- Puste nanowłoki mogą być dostosowane do konkretnych zastosowań w dostarczaniu leków.
- Podejście to rozszerza zastosowanie technik osadzania plazmowego na nanocząstki.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia precyzyjną kontrolę kinetyki uwalniania substancji rozpuszczonej poprzez regulację grubości powłoki z polimeru plazmowego, co bezpośrednio wspiera analizę ryzyka mechanistycznego we wczesnej fazie formulacji systemów dostarczania leków. Poprzez ilościowe określenie przepuszczalności za pomocą pomiarów przewodnictwa jonowego, metoda ta zapewnia przewidywalność profili uwalniania przedłużonego, co pozwala na podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) podczas wyboru kandydatów w badaniach przedklinicznych. Podejście to rozwiązuje kluczowy problem translacyjny: adaptację nanoszenia cienkich warstw na płaskie podłoża do systemów cząsteczkowych w celu reprodukowalnej syntezy nanomateriałów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów uwalniania poprzez wyizolowanie grubości otoczki jako niezależnej zmiennej służącej do modulowania współczynników dyfuzji.
- Wartość operacyjna: Pozwala na uzyskanie ilościowych danych o przepuszczalności na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego, co wspiera weryfikację hipotez dotyczących skuteczności bariery.
Przesiew i opracowanie analizy
- Wartość naukowa: Pozwala na wytwarzanie standaryzowanych cząstek pustych w środku o radialnej jednorodności filmu, co zapewnia powtarzalne profile rozpuszczania pomiędzy partiami.
- Wartość operacyjna: Ustanawia kompatybilny z kontrolą jakości (QC) odczyt (przewodność roztworu) dla wysokoprzepustowego przesiewania formulacji powłok.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Prezentuje profile uwalniania zależne od grubości (od 6 godzin do 30 dni), co umożliwia przewidywanie wydajności in vivo na podstawie danych o przepuszczalności in vitro.
- Wartość operacyjna: Zapewnia platformę do oceny stabilności struktury rdzeń-powłoka w warunkach fizjologicznych przed rozpoczęciem badań na zwierzętach.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od etapu odkrywania do badań przedklinicznych poprzez generowanie nanopowłok o zcharakteryzowanym uwalnianiu, co pozwala na optymalizację projektu formulacji przed etapem optymalizacji wiodących związków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez korelację grubości otoczki z szybkością dyfuzji substancji rozpuszczonych za pomocą ilościowych testów przepuszczalności.
- Screening: Umożliwia tworzenie bibliotek cząstek gotowych do testów o kontrolowanej przepuszczalności w celu oceny wydajności enkapsulacji.
- Analityka: Dostarcza ilościowe pomiary zmiennych zależnych (przewodność jonowa w czasie) do modelowania kinetyki uwalniania i porównywania zmiennych formulacyjnych.
- Badania translacyjne: Łączy etap odkryć z pracami przedklinicznymi, dostarczając dane o uwalnianiu, które pomagają w projektowaniu schematów dawkowania.
- Zastosowania w przedsiębiorstwach: Proces osadzania plazmowego jest adaptowalny do różnych materiałów rdzeniowych (tlenków, soli, metali), co wspiera rozwój technologii platformowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w zakresie kinetyki uwalniania dzięki bezpośredniemu pomiarowi współczynników przepuszczalności.
- Wartość operacyjna: Standaryzowane powlekanie nanocząsteczek metodą PECVD zapewnia powtarzalność grubości i jednorodności otoczki między poszczególnymi partiami.
- Wartość strategiczna: Umożliwia optymalizację postępów z uwzględnieniem ryzyka poprzez identyfikację grubości powłok spełniających docelowe okna uwalniania.
- Wpływ na portfolio: Wspiera wstępną selekcję formulacji poprzez ranking kandydatów na podstawie zdolności do uwalniania przedłużonego.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Doświadczenie w obsłudze reaktorów plazmowych i systemów próżniowych.
- Instrumentacja do PECVD, monitorowania przewodności oraz pomiaru wielkości cząstek (TEM/DLS).
- Standaryzacja protokołów rozpuszczania rdzenia dla różnych typów materiałów.
- Uwzględnienie adaptacji w przypadku materiałów rdzeniowych hydrofilowych i hydrofobowych.
- Ograniczenia praktyczne: praca z HF wymaga specjalistycznych protokołów bezpieczeństwa podczas trawienia rdzenia.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
