Artigo de método

Poli (Magnetic and Thermal-sensitive Poly) N Microgels com base em isopropilacrilamida) para liberação controlada com disparo magnético

DOI:

10.3791/55648

⸱

4 de julho de 2017

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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

Neste artigo

Resumo

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Este manuscrito descreve a preparação de microgeles magnéticos e sensíveis ao calor através de uma emulsão induzida por temperatura sem reação química. Estes microgéis sensíveis foram sintetizados misturando nanopartículas de poli ( N- isopropilacrilamida) (PNIPAAm), polietilenimina (PEI) e de Fe 3 O 4 -NH 2 para o uso potencial em liberação de fármaco acionada magneticamente e termicamente.

Resumo

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Os microgéis de poli ( N- isopropilacrilamida) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 magnéticamente e termicamente sensíveis com a curcumina anticancerosa encapsulada (Cur) foram concebidos e fabricados para libertação com disparo magnético. Os microgéis magnéticos baseados em PNIPAAm com uma estrutura esférica foram produzidos através de uma emulsão induzida por temperatura seguida de reticulação física por mistura de nanopartículas magnéticas PNIPAAm, polietilenimina (PEI) e de Fe 3 O 4 -NH 2 . Devido à sua dispersidade, as nanopartículas de Fe3O4-NH2 foram incorporadas dentro da matriz de polímero. Os grupos amina expostos na superfície Fe 3 O 4 -NH 2 e PEI suportaram a estrutura esférica por reticulação fisica com os grupos amida do PNIPAAm. A droga hidrofóbica anticancerígena curcumina pode ser dispersa em água após o encapsulamento nos microgéis. Os microgelos foram caracterizadosPor microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de infravermelho de transformação de Fourier (FT-IR) e análise espectral UV-Vis. Além disso, a liberação com disparo magnético foi estudada sob um campo magnético externo de alta freqüência (HFMF). Foi observada uma significativa "libertação de rajada" de curcumina após a aplicação do HFMF aos microgéis devido ao efeito do aquecimento indutivo magnético (hipertermia). Este manuscrito descreve a liberação controlada com gatilho magnético da curcumina encapsulada Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , que pode ser potencialmente aplicada para terapia tumoral.

Introdução

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Os hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais (3D) que não podem se dissolver, mas podem inchar em soluções aquosas 1 . As redes poliméricas têm domínios hidrofílicos (que podem ser hidratados para fornecer a estrutura do hidrogel) e uma conformação reticulada (o que pode impedir o colapso da rede). Vários métodos foram investigados para a preparação de hidrogéis, tais como polimerização em emulsão, copolimerização aniónica, reticulação de cadeias poliméricas vizinhas e polimerização inversa de microemulsão 2 . A reticulação física e química é introduzida através destes métodos para obter hidrogéis estruturalmente estáveis 1 , 3 . A reticulação química requer normalmente a participação do agente de reticulação, que liga a espinha dorsal ou a cadeia lateral dos polímeros. Comparado ao reticulado químico, o reticulado físico é uma escolha melhor para o fabr Hidrogéis gelados devido à evitação de um agente de reticulação, uma vez que estes agentes são frequentemente tóxicos para aplicações práticas 4 . Várias abordagens foram investigadas para sintetizar hidrogéis fisicamente reticulados, como reticulação com interação iônica, cristalização, ligação entre blocos anfifílicos ou enxerto nas cadeias de polímero e ligação de hidrogênio 4 , 5 , 6 , 7 .

Os polímeros sensíveis a estímulos, que podem sofrer mudanças de propriedade conformação, química ou física em resposta a diferentes condições ambientais ( isto é , temperatura, pH, luz, força iónica e campo magnético), atraíram recentemente a atenção como uma plataforma potencial para sistemas de liberação controlada , Entrega de drogas e terapia anti-câncer 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Os pesquisadores estão focados em polímeros termo-sensíveis onde a temperatura intrínseca pode ser facilmente controlada. O PNIPAAm é um polímero termicamente sensível, que contém grupos de amida hidrófila e grupos isopropílicos hidrofóbicos e tem uma temperatura de solução crítica mais baixa (LCST) 13. A ligação de hidrogênio entre grupos de amida e moléculas de água fornece a dispersidade de PNIPAAm em solução aquosa a baixas temperaturas (abaixo da LCST), enquanto a ligação de hidrogênio entre cadeias de polímero ocorre em altas temperaturas (acima da LCST) e exclui água Moléculas para que a rede de polímeros colapsa. Em relação a esta propriedade única, muitos relatórios foram publicados para a preparação de hidrogéis auto-montados com temperatura, ajustando a relação hidrofóbica e hidrofílica do comprimento da cadeia de polímero, como a copolimerização, o enxerto, Modificação de cadeia para farmáciaPlataformas cal, 14 , 15 , 16 , 17 .

Materiais magnéticos como ferro, cobalto e níquel também receberam atenção crescente nas últimas décadas para aplicações bioquímicas 18 . Entre esses candidatos, o óxido de ferro é o mais utilizado devido à sua estabilidade e baixa toxicidade. Os óxidos de ferro de tamanho nanométrico respondem instantaneamente ao campo magnético e se comportam como átomos superparamagnéticos. No entanto, tais partículas pequenas facilmente agregam; Isso reduz a energia da superfície e, portanto, eles perdem a dispersidade. A fim de melhorar a dispersão da água, o enxerto ou o revestimento para proteger a camada são comumente aplicados não apenas para separar cada partícula individual para a estabilidade, mas também para funcionalizar ainda mais o local de reacção 19 .

Aqui, fabricamos microfones baseados em PNIPAAm magnéticosGeles para servir como transportadoras de medicamentos para sistemas de liberação controlada. O processo de síntese é descrito e mostrado na Figura 1 . Em vez de uma copolimerização complicada e reticulação química, a nova emulsão induzida por temperatura de PNIPAAm seguida por reticulação física foi empregada para a obtenção de microgels sem surfactante adicional ou agentes de reticulação. Isso simplificou a síntese e impediu a toxicidade indesejada. Dentro de um protocolo de preparação tão simples, os microgéis com síntese oferecidos oferecem dispersão de água tanto para as nanopartículas magnéticas de óxido de ferro quanto para a droga hidrofóbica e anticancerígena, a curcumina. FT-IR, TEM e imagens provaram evidências de dispersão e encapsulamento. Devido ao Fe 3 O 4 -NH 2 incorporado, os microgels magnéticos mostraram potencial para servir como micro-dispositivos para libertação controlada sob HFMF.

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Protocolo

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1. Síntese de nanopartículas magnéticas modificadas superficialmente, dispersíveis em água, Fe 3 O 4 e Fe3O4-NH2

  1. Adicionar 14,02 g de FeCl3, 8,6 g de FeCl 2 · 4H 2 O e 250 mL de água para um copo de 500 mL.
  2. Conecte o rotor eo controlador para configurar a remoção mecânica. Misture a solução a 300 rpm durante 30 min à temperatura ambiente (RT).
  3. Adicionar 25 mL de hidróxido de amónio (33%) na solução à TA e manter a agitação (300 rpm) durante 30 min. Mantenha a taça aberta.
    CUIDADO: hidróxido de amônio pode causar irritação no nariz se inalado. Este passo deve ser realizado dentro de uma capa de exaustão apropriada.
  4. Para coletar os óxidos de ferro magnéticos (Fe 3 O 4 ), remova a remoção mecânica. Coloque um ímã sob o copo para recolher as partículas negras.
    1. Após as nanopartículas de Fe 3 O 4 serem completamente precipitadas, remova cuidadosamente o sobrenadante. Não agite o bAntes de despejar o sobrenadante para evitar a perda de Fe 3 O 4 .
    2. Remova o ímã e adicione 50 mL de água fresca à taça.
    3. Agite o copo para re-dispersar o Fe 3 O 4 . Repita as etapas 1.4 a 1.4.2 três vezes para purificar o Fe 3 O 4 .
  5. Após a última lavagem, transfira todo o Fe 3 O 4 (10 g) para uma garrafa de vidro de 100 mL. Adicione água até o volume da solução total ser de 100 mL. Agite vigorosamente a garrafa de vidro até que nenhum pedaço seja visível.
    NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui. As nanopartículas de Fe 3 O 4 são preparadas.
  6. Modificar o Fe 3 O 4 com aminosilano (Fe 3 O 4 -NH 2 ).
    1. Pegue a solução de 100 mL do passo 1.5 e transfira para um copo de 1000 mL. Adicione 10 mL de solução de amônia, 90 mL de água e 900 mL de etanol para o copo.
    2. Use uma barra de agitação magnética para misturar a solução em300 rpm. Adicionar 500 μL de (3-aminopropil) trietoxissilano (APTES) gota a gota ao copo a TA e agitar durante mais 12 h.
  7. Purificar e recolher o Fe 3 O 4 -NH 2 como descrito na secção 1.4.
  8. Re-dispersar 1 g de Fe 3 O 4 -NH 2 (do passo 1.7) em uma garrafa de vidro de 20 mL com 20 mL de água.
    NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui. As nanopartículas de Fe3O4-NH2 são preparadas.

2. Síntese de microgéis orgânicos-inorgânicos e inorgânicos por emulsão termo-induzida

  1. Preparação da Solução 1-1 e 1-2 .
    1. Para a solução 1-1, adicione 0,25 g de PNIPAAm, 5 mL de solução de Fe3O4 (do passo 1.5) e 0,2 g de PEI para uma garrafa de vidro de 50 mL. Adicione 20 mL de água e use uma barra de agitação magnética para agitar a 300 rpm durante 30 min.
    2. Para a solução 1-2, repita o passo 2.1.1, mas substitua Fe 3 O 4 como FeSolução de 3 O4-NH2 (do passo 1.8).
  2. Para preparar a Solução 2 , adicione 0,8 g de PEI e 18,2 mL de água a uma garrafa de vidro de 50 mL. Use um banho de água para aquecer a solução a 70 ° C durante 30 min. Prepare uma segunda garrafa da Solução 2 .
  3. Preparação de PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
    1. Use um disruptor de células ultra-sônicas para o sonicato (50 w), uma barra de agitação magnética para agitar (300 rpm) e um banho de água para aquecer a Solução 2 (70 ° C).
    2. Adicione a solução 1-1 à solução aquecida 2 gota a gota usando uma seringa de 3 mL a uma taxa de 1 mL / min.
    3. Continuar a sonicação, mexer e aquecer a 70 ° C durante 30 min.
    4. Arrefeça a solução para a RT. Remova a solução do disruptor celular e banho de água.
    5. Recolher os microgéis colocando o ímã perto da garrafa de vidro.
    6. Remova o sobrenadante afOs microgels precipitaram-se no fundo da garrafa de vidro.
    7. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
      NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.
  4. Preparação de PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
    1. Use um disruptor de células ultra-sônicas para o sonicato (50 w), uma barra de agitação magnética para agitar (300 rpm) e um banho de água para aquecer a Solução 2 (70 ° C).
    2. Adicione a Solução 1-2 à solução aquecida 2 gota a gota usando uma seringa de 3 mL a uma taxa de 1 mL / min.
    3. Continuar a sonicação, mexer e aquecer a 70 ° C durante 30 min.
    4. Arrefeça a solução para a RT. Remova a solução do disruptor celular e banho de água.
    5. Recolher os microgéis colocando o ímã perto da garrafa de vidro.
    6. Uma vez que os microgels precipitam, removaO sobrenadante.
    7. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
      NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.

3. Preparação de Microgels carregados com Curcumin (Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 )

NOTA: Estas etapas devem ser realizadas no escuro.

  1. Adicione 100 mg de Cur e 20 mL de etanol a um frasco de vidro de 20 mL.
  2. Tome 2 mL da solução de Cur e transfira para a solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (passo 2.4.7). Agitar a 400 rpm e RT durante a noite.
  3. Após agitação a 400 rpm e RT durante a noite, use o íman para coletar PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 como descrito nos passos 2.4.5 e 2.4.6.
  4. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é C Ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .

4. Liberação de droga desencadeada magnéticamente

  1. Transfira 10 mL da solução Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e adicione 2 mL de água a um tubo de centrifugação de 15 mL.
  2. Coloque o tubo de centrifugação no centro da bobina para aplicar o HFMF 20 . Aplique HFMF a 15 KHz por 20 min.
  3. Retirar 0,5 mL da solução de HFMF e substituir com 0,5 mL de água fresca a cada intervalo de 2 min enquanto aplica o HFMF.
  4. Transfira a solução retirada para a cuvete de 1 mL.
  5. Medir a absorção da solução retirada por UV / Vis a 482 nm 21 .
  6. Determine a concentração dos medicamentos liberados usando a relação de absorção e concentração de uma curva de calibração padrão 22 .
    NOTA: A relação de calibração padrão é:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Onde o coeficiente de correlação é 0,9993.

5. Caracterização dos Microgels Magnéticos

  1. Analisador termogravimétrico (TGA) 23 .
    1. Medir a perda de peso de PNIPAAm / Fe 3 O 4 e PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 vs. temperatura sob atmosfera de ar por TGA.
      1. Aquecer a amostra de RT a 100 ° C e manter a esta temperatura durante 10 min para eliminar a umidade. Aquecer a amostra de 100 ° C a 800 ° C a uma taxa de 10 ° C / min. Pesar as amostras.
      2. Trace a perda de peso em relação à temperatura de PNIPAAm / Fe 3 O 4 e PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
        NOTA: O peso de resíduo é Fe 3 O 4 ou Fe 3 O 4 -NH 2 , enquanto o peso perdido é PNIPAAm.
  2. FT-IR"> 24.
    1. Secar 10 mg de amostra com 1 g de KBr a 100 ° C durante a noite.
    2. Pressione a mistura do passo 5.2.1 em pellets como descrito nas seguintes etapas (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. Molhar os materiais do passo 5.2.1 em um pó fino usando uma argamassa e pilão.
      2. Coloque o aparelho montado (argamassa e pilão) na prensa de pelotização. Alinhe o aparelho no meio exato da imprensa.
      3. Bombeie a prensa até chegar uma pressão de 20,000 psi. Deixe o sedimento sentado a essa pressão durante 5 min.
        CUIDADO: Alinhe o aparelho no meio exato da imprensa, caso contrário, a amostra se dispersará da argamassa e causará ferimentos por exposição.
      4. Remova a matriz que contém o grânulo e o pistão da prensa.
      5. Vire-o de cabeça para baixo e bombeie o pistão para forçar o sedimento para fora.
    3. Registre os espectros de absorção FT-IR de amostras por FT-IR em freqüências variando de 400 a 4.000 cm -1 com resolução 4 cm -1 24 .
  3. Observações de morfologia pela TEM 25 .
    1. Soltar a solução da amostra em uma grelha de cobre revestida com um colódio e depois secar à temperatura ambiente ou em um forno a 70 ° durante a noite.
    2. Tire imagens TEM.
      NOTA: fortes feixes de elétrons podem danificar as amostras. Portanto, as imagens TEM devem ser tomadas o mais rápido possível.
  4. Capacidades de dispersão aquosa de polímeros e microgéis.
    1. Para preparar a solução PNIPAAm, adicione 7 mg de PNIPAAm e 7 mL de água a uma garrafa de vidro de 7 mL. Use um vórtice para misturar a solução até que não haja agregados.
    2. Para preparar a solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , transferir 0,7 mL de solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (passo 2.4.7) para uma garrafa de vidro de 7 mL e adicionar 6,3 mL de água. Use um vórtice para misturar a solução até não haver precipitação.
    3. Para preparar Cur-PNIPAAM / Fe 3 O 4 -NH 2 , transferir 0,7 mL de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 solução (passo 3.4) para uma garrafa de vidro de 7 mL e adicionar 6,3 mL de água. Use um vórtice para misturar a solução até não haver precipitação.
    4. Tire uma foto das soluções (etapas 5.4.1 - 5.4.3) usando uma câmera digital.
    5. Coloque as soluções em um forno e ajuste a temperatura para 70 ° C. Aguarde 2 h até o equilíbrio.
    6. Tire uma outra imagem das soluções. Para manter a temperatura, tire a foto dentro de 1 min. Evite agitar a garrafa de vidro, pois isso pode re-dispersar as precipitações.
  5. Para a coleta magnética de microgels, coloque o íman forte perto da solução Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (etapa 5.4.3). Aguarde até que os microgelos sejam totalmente coletados e tire uma foto.
    1. Remova o ímã e vorteie a solução de microgel até ficar completamente dispersa. Tire outra foto.

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Resultados

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O esquema para a síntese dos microgéis PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2 é mostrado na Figura 1 . O TGA foi aplicado para estimar a composição relativa do composto orgânico contra todo o microgel. Uma vez que apenas o composto orgânico PNIPAAm pode ser queimado, a composição relativa de PNIPAAm e Fe 3 O 4 (ou Fe 3 O 4 -NH 2 ) foi determinada e é mostrada na Tabela 1<...

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Discussão

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As etapas mais importantes da preparação estão na seção de protocolo 2, para a síntese dos microgéis magnéticos por emulsão termo-induzida. Conforme mostrado na Figura 2 (imagens de TEM), a estrutura esférica de microgels pode ser mantida na RT (inferior à LCST) devido à reticulação física resultante da forte ligação de H entre PNIPAAm (grupos amida), PEI (grupos amina) E Fe 3 O 4 -NH 2 (grupos amina). Com base na comparação na Figura 4<...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado financeiramente pelo Ministério da Ciência e Tecnologia de Taiwan (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) e parcialmente apoiado pelo Institute of Atomic and Molecular Sciences, Academia Sinica.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Poli (N-isopropilacrilamida)Polyscience, Inc21458-10Mw ~ 40.000
(3-aminopropil) trimetoxissilanoSigma-Aldrich440140> 99%
Cloreto de ferro (II) tetrahidratadoSigma-Aldrich4493999%
Cloreto de ferro (III)Sigma-Aldrich15774097%
CurcuminaSigma-Aldrich
Hidróxido de amôniaFisher ChemicalA / 3240 / PB1535%
de tampão de fosfato SalinoSigma-Aldrich806552pH 7,4, líquido, polietileno filtrado estéril
(PEI)Sigma-AldrichP314350% (p / v) em água
Campo magnético de alta frequência (HFMF)Lantech Industrial Co., Ltd., TaiwanLT-15-8015 kV, 50–
Espectrofotometria ultravioleta-visívelThermo Scientific Co.Microscopia
eletrônica de transmissão (TEM)JEM-2100JEOL
Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)PerkinElmerSpectrum 100
Analisador termogravimétricoPerkinElmerPyris 1
Disruptor de célula ultrassônicoHielscher UltrassomUP50H
00280590 de 100 kHz

Referências

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