Vekslende magnetfelt-Responsive Hybrid Gelatine Mikrogeler for Controlled Drug frigivelse

Summary

Vi præsenterer en let metode til fremstilling af en bionedbrydelig gelatine-baserede lægemiddelfrigivelse platform, der er magnetisk-termisk reagerende. Dette blev opnået ved at inkorporere superparamagnetiske jernoxidpartikler nanopartikler og poly (N-isopropylacrylamide- co -acrylamid) i et kugleformet gelatine mikro-netværk tværbundet ved genipin, sammenholdt med et alternerende magnetfelt ansøgningssystem.

Abstract

Magnetisk-responsive nano / mikro-manipuleret biomaterialer, der muliggør en tæt kontrolleret, on-demand levering narkotika er blevet udviklet som nye typer af smart bløde udstyr til biomedicinske anvendelser. Selv om en række magnetisk responsive lægemiddelafgivelsessystemer har vist effektiviteter gennem enten in vitro proof of concept studier eller in vivo prækliniske anvendelser deres anvendelse i kliniske omgivelser stadig begrænset af deres utilstrækkelige biokompatibilitet eller bionedbrydelighed. Derudover har mange af de eksisterende platforme er afhængige af sofistikerede teknikker til deres fabrications. Vi har for nylig demonstreret fremstilling af bionedbrydelige, gelatine-baserede termofølsomme mikrogel ved fysisk at indeslutte poly (N-isopropylacrylamide- co -acrylamid) kæder som en mindre komponent i et tredimensionalt gelatine netværk. I denne undersøgelse præsenterer vi en let metode til fremstilling af en biologisk nedbrydelig lægemiddelfrigivelse platform, der muliggør en magneto-thermally udløst drug release. Dette blev opnået ved at inkorporere superparamagnetisk jernoxid nanopartikler og termofølsomme polymerer inden gelatine-baserede kolloide mikrogeler, sammenholdt med et alternerende magnetfelt ansøgningssystem.

Introduction

Stimuli-responsive lægemiddeladministrationssystemer, der muliggør en tæt kontrolleret lægemiddelafgivelse som reaktion på enten endogene eller exogene stimuli (f.eks., Temperatur eller pH) er blevet grundigt undersøgt som nye typer intelligente bløde anordninger til lægemiddeladministration. Mikroskala hydrogeler er ofte blevet anvendt som et lægemiddeltilførselssystem platform eftersom de giver kontrollerbare og bæredygtige medikamentfrigivelsesprofiler samt afstemmelig kemiske og mekaniske egenskaber ^1-3. Især de kolloide mikrogeler udviser mange fordele som et middel til lægemiddellevering på grund af deres hurtige reaktionsevne på eksterne stimuli og egnet injicerbarhed til lokal væv i en minimalt invasiv måde ^4. Poly (N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) eller dens copolymerer er blevet almindeligt udbredte i syntetisering termofølsomme mikrogeler ved podning pNIPAM med bionedbrydelige / biokompatible polymerer, herunder gelatine, chitosan, alginat syre eller hyaluronsyre ^5,6, Hvori en faseovergang karakteristisk for pNIPAM ved sin nedre kritiske opløsningstemperatur (LCST) kan anvendes som en udløser for lægemiddelafgivelse ^7. Vi har for nylig demonstreret en fabrikation af bionedbrydeligt, gelatine-baserede termofølsomme mikrogel ved inkorporering poly (N-isopropylacrylamide- co -acrylamid) [p (NIPAM- co -AAm)] kæder som en mindre komponent i tredimensionale gelatine net ^8. Den gelatine / p (NIPAM- co -AAm) mikrogel udstillet en justerbar deswelling til temperaturstigning, som positivt korreleret til frigivelsen af bovint serumalbumin (BSA).

I løbet af de sidste mange år har der været stigende indsats for at udvikle en magnetisk reagerende drug delivery platform, der kan udløse frigivelse af lægemidlet i en on-demand mode ^9,10. Det grundlæggende princip for syntesen af ​​magnetisk reagerende drug delivery platform udnytter karakteristisk for superparamagnetiske nanopartikler (MNP'er) til at generere varme, når de modtager et højfrekvent vekslende magnetfelt (AMF), som udløser en temperaturfølsom lægemiddelfrigivelse. Dette lover godt for fremtidige kliniske applikationer i, at dette system kan målrette dybt ind i vævet, gør en ikke-invasiv og fjernstyres lægemiddelfrigivelse og kan kombineres med hypertermi behandling og magnetisk resonans imaging system ^10-12. Sådanne platforme omfatter: (1) MNP'er / pNIPAM hybrid mikrogel partikler ^13-15 og (2) makroskopiske hydrogel stilladser inkorporering immobiliseret MNP'er ^16-18. De pNIPAM-baserede mikrogel platforme demonstrerede en fint justerbar volumen faseovergangen reagere på magneto-termisk stimuli. Men de stadig kunne stole på komplekse og sofistikerede teknikker inden for fremstilling og anvendelse af pNIPAM polymerer med et højt indhold kan potentielt cytotoksisk for celler ^19, som kan begrænse deres in vivo anvendelser. De makroskopiske stilladser udviser en relativly langsom reaktion på ydre stimuli og kræver en invasiv kirurgisk transplantation sammenlignet med kolloide mikrogeler.

Vand-i-olie-emulgering har været standard metode til at producere submillimeter eller mikrometer størrelse gelpartikler ^20. På vand-olie-grænsefladen i emulsionen, mikrogel partikel danner en sfærisk form på grund af minimering af overfladeenergien af ​​vanddråben under mekanisk forskydningskraft. Denne fremgangsmåde tillader fremstilling af en stor mængde vandige sfæriske gel dråber i en enkel fabrikation procedure og er afprøvet med succes til fremstilling af gelatine-baserede mikrogeler for lægemiddeltilførselsanvendelser ^21-23.

Her præsenteres en let metode til at syntetisere et magnetothermally responsive gelatine-baserede mikrogeler til lægemiddelafgivelse ansøgning ved anvendelse af vand-i-olie-emulgering metode. Dette blev opnået ved fysisk inkorporerer jernoxid MNP'er og p (NIPAM- co -AAM) kæder som en mindre komponent i et kugleformet mikroskala gelatine netværk, der er covalent tværbundet af et naturligt afledt tværbinder genipin, sammenholdt med en høj frekvens vekslende magnetfelt (AMF) ansøgningssystem.

Protocol

Bemærk: Den samlede fremgangsmåde til fremstilling af magnetiske reagerende gelatine mikrogeler er illustreret i figur 1A. 1. Forberedelse opløsninger og suspensioner Forbered en tværbinder genipin (1% w / v) opløsning ved at opløse 20 mg genipin i 2 ml phosphatpufret saltvand (1x PBS; pH 7,4). Vortex opløsningen og anbringes i en 50 ° C vandbad i 2 timer til fuldstændig opløsning af opløsningen. Der fremstilles en …

Representative Results

Når protokollen udføres korrekt, bør de fabrikerede mikrogeler udviser en velkarakteriseret sfærisk morfologi og kolloidt dispergerbarhed med diametre i intervallet mellem 5 um til 20 um (figur 1B og C). Enten fluorescerende MNP'er eller fluorescerende BSA kan anvendes til at bekræfte, om MNP'er eller lægemidler (BSA i denne undersøgelse) er korrekt indkapslet i mikrogel (figur 1D). De fabrikerede mikrogeler kan være stabil og opbevares v…

Discussion

Den her beskrevne teknologi demonstrerer en proof of concept på brugen af ​​nanopartikel-mikrogel hybrider til magneto-termisk udløst lægemiddelfrigivelse. Dette blev opnået ved fysisk at indeslutte MNP'er og P (NIPAM- co -AAm) -kæder i en mikroskala tredimensionale gelatine netværk tværbundet ved genipin. Magnetfeltet-responsive platform var tilstrækkelig til at generere varme inden mikrogelen som svar på en eksternt påført AMF, som igen udløste frigivelse af et modellægemiddel, BSA.

<…

Materials

Gelatin	Sigma-Aldrich, MO, USA	G2500	Gelatin type A, porcine skin
poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylamide)	Sigma-Aldrich, MO, USA	738727	MW=20,000, LCST=34-38 oC
Silicon oil	Sigma-Aldrich, MO, USA	378372	Viscosity 350 cSt
Pluoronic L64	Sigma-Aldrich, MO, USA	435449	100 ppm poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)
genipin	TimTec LLC, DE, USA	ST080860	Mw = 226.23;
Magnetic nanoparticles (MNPs)	Micromod Inc, Germany	79-00-102	nanomag-D-spio, 100 nm
TR-BSA	Life Technologies, NY USA	A23017	Albumin from Bovine Serum (BSA), Texas Red conjugate