Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

بالتناوب المغناطيسي Microgels الجيلاتين الهجين-الميدان الاستجابة لرقابة الإصدار المخدرات

Published: February 13, 2016 doi: 10.3791/53680
Automatic Translation
*1,2, *1, *1, 1, 2,3, 1
1Department of Biological Sciences, Kent State University, 2Liquid Crystal Institute, Kent State University, 3Chemical Physics Interdisciplinary Program, Kent State University
* These authors contributed equally

Summary

نقدم طريقة سطحي لافتعال القابلة للتحلل منصة إطلاق المخدرات القائم على الجيلاتين تستجيب مغناطيسي، حراريا. وقد تحقق ذلك من خلال دمج مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic جزيئات أكسيد الحديد وبولي (شارك N-isopropylacrylamide- -acrylamide) ضمن الجيلاتين الكروية الصغيرة شبكة crosslinked بواسطة genipin، بالتزامن مع تطبيق نظام المجال المغناطيسي بالتناوب.

Abstract

وقد وضعت نانو الحيوية مغناطيسيا متجاوبة / المهندسة الصغيرة التي تمكن رقابة مشددة، بناء على الطلب تسليم المخدرات عن أنواع جديدة من الأجهزة الناعمة الذكية للتطبيقات الطبية الحيوية. ورغم أن عددا من أنظمة توصيل الدواء مغناطيسيا استجابة أثبتت كفاءات من خلال إما في المختبر دليل على دراسات مفهوم أو في التطبيقات قبل السريرية المجراة، استخدامها في المرافق الصحية لا تزال محدودة بسبب عدم كفاية توافق مع الحياة أو التحلل البيولوجي. بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من المنصات الموجودة تعتمد على تقنيات متطورة لافتراءات بهم. نحن في الآونة الأخيرة أظهرت تصنيع القابلة للتحلل، microgel الحرارية استجابة القائم على الجيلاتين التي كتبها entrapping جسديا بولي (N-isopropylacrylamide- -acrylamide المشترك) سلاسل كمكون بسيط ضمن شبكة الجيلاتين ثلاثية الأبعاد. في هذه الدراسة، فإننا نقدم وسيلة سطحي لافتعال منصة إطلاق للتحلل المخدرات التي تمكن مغناطيسي، رأثار hermally الافراج عن المخدرات. وقد تحقق ذلك من خلال دمج جزيئات أكسيد الحديد مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic والبوليمرات الحرارية استجابة ضمن microgels الغروية القائم على الجيلاتين، بالتزامن مع تطبيق نظام المجال المغناطيسي بالتناوب.

Introduction

وقد تم التحقيق المحفزات متجاوبة نظم لتقديم الأدوية التي تمكن تسليم المخدرات لرقابة مشددة في الاستجابة إلى أي مؤثرات داخلية المنشأ أو خارجية (على سبيل المثال، درجة الحرارة أو الحموضة) على نطاق واسع عن أنواع جديدة من الأجهزة الذكية الناعمة لتسليم المخدرات. وقد استخدمت على نطاق واسع الهلاميات المائية الميكروسكيل كمنصة تسليم المخدرات لأنها تضفي ملامح السيطرة عليها والمستدامة الافراج عن المخدرات وكذلك المواد الكيميائية الانضباطي والخواص الميكانيكية 1-3. على وجه الخصوص، microgels الغروية يحمل العديد من المزايا باعتبارها وسيلة لتوصيل الدواء بسبب الاستجابة السريعة لمحفزات الخارجية وinjectability مناسبة للأنسجة المحلية بطريقة التنظيرية 4. بولي (N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) أو بوليمرات لها تم اعتمادها على نطاق واسع في توليف microgels الحرارية تستجيب عن طريق تطعيم pNIPAM مع البوليمرات القابلة للتحلل / حيويا بما في ذلك الجيلاتين، الشيتوزان، حمض الجينات، أو حمض الهيالورونيك 5،6، التي سمة المرحلة الانتقالية من pNIPAM في درجة حرارته حل أقل الحرجة (LCST) يمكن استخدامها كمحفز للإفراج المخدرات 7. أثبتنا مؤخرا تصنيع القابلة للتحلل، microgel الحرارية استجابة القائم على الجيلاتين من خلال دمج بولي (شارك N-isopropylacrylamide- -acrylamide) [ص (NIPAM- شارك -AAm)] سلاسل كمكون بسيط داخل شبكات الجيلاتين ثلاثية الأبعاد 8. عرضت و/ ص (NIPAM- شارك -AAm) microgel الجيلاتين وdeswelling الانضباطي لارتفاع درجة الحرارة، والتي ترتبط بشكل إيجابي إلى الإفراج عن ألبومين المصل البقري (BSA).

خلال السنوات العديدة الماضية، كانت هناك زيادة الجهود المبذولة لتطوير منصة تسليم المخدرات تستجيب مغناطيسيا التي يمكن أن تؤدي إلى الإفراج عن المخدرات بطريقة 9،10 عند الطلب. المبدأ الأساسي لتركيب استجابة مغناطيسيا منصة توصيل الدواء يستخدم خاصية النانوية مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic (MNPs) لتوليد الحرارة عند حصولهم على وتيرة عالية بالتناوب المجال المغناطيسي (AMF)، الذي يتسبب في الإفراج عن المخدرات الحساسة للحرارة. هذا يبشر بالخير بالنسبة إلى التطبيقات السريرية في المستقبل أن هذا النظام يمكن أن تستهدف عمق الأنسجة، ويمكن بيان المخدرات غير الغازية والتحكم فيها عن بعد ويمكن الجمع بين العلاج ارتفاع الحرارة والرنين المغناطيسي نظام التصوير 10-12. وتشمل هذه البرامج: (1) الجسيمات MNPs / pNIPAM الهجين microgel 13-15 و (2) السقالات هيدروجيل العيانية دمج يجمد MNPs 16-18. أظهرت منصات microgel أساس pNIPAM واحد ناعما الانضباطي المرحلة الانتقالية حجم الاستجابة للمؤثرات مغناطيسي الحراري. ومع ذلك، فإنها لا تزال تعتمد على تقنيات معقدة ومتطورة في تصنيع واستخدام البوليمرات pNIPAM ذات المحتوى العالي يمكن أن يحتمل أن تكون سامة للخلايا إلى خلايا 19، والتي قد تحد من الجسم الحي في التطبيقات. السقالات العيانية المعرض قريبلاي بطء استجابة للمؤثرات الخارجية وتتطلب زرع الجراحية الغازية مقارنة microgels الغروية.

كان استحلاب الماء في النفط على الطريقة القياسية لإنتاج submillimeter أو هلام ميكرون الحجم الجسيمات 20. في واجهة للنفط ماء مستحلب، microgel الجسيمات يشكل كروية الشكل ويرجع ذلك إلى التقليل من الطاقة سطح قطرات الماء تحت قوة القص الميكانيكية. هذا الأسلوب يسمح للإنتاج كمية كبيرة من قطرات مائية هلام كروية في إجراء تلفيق بسيطة واعتمد بنجاح لافتعال microgels القائم على الجيلاتين لتطبيقات تسليم المخدرات 21-23.

هنا، فإننا نقدم وسيلة سطحي لتجميع استجابة magnetothermally microgels القائم على الجيلاتين لتطبيق توصيل الدواء عن طريق استخدام طريقة استحلاب الماء في النفط. وقد تحقق ذلك من خلال دمج جسديا MNPs أكسيد الحديد وص (شارك NIPAM- -علاء) سلاسل كمكون بسيط ضمن شبكة الجيلاتين الميكروسكيل الكروية التي crosslinked تساهميا من قبل genipin crosslinker المستمدة طبيعيا، بالتزامن مع ارتفاع وتيرة بالتناوب المغناطيسي نظام التطبيق الميداني (AMF).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: يتم توضيح العملية الشاملة لافتعال المغناطيسي microgels الجيلاتين استجابة الميدان في الشكل 1A.

1. حلول ومعلقات إعداد

  1. إعداد genipin crosslinker (1٪ ث / ت) حل عن طريق إذابة 20 ملغ من genipin في 2 مل من الفوسفات مخزنة المالحة (برنامج تلفزيوني 1X، ودرجة الحموضة 7.4). دوامة الحل ومكان في 50 درجة مئوية حمام الماء لمدة 2 ساعة لتذوب تماما الحل.
  2. يعد حل السطحي عن طريق إذابة 20 ملغ من بولي (جلايكول الإثيلين) -poly (البروبيلين جليكول) -poly (جلايكول الإثيلين) (M ث = 2900 دا، يشار إلى L64) في 200 مل من برنامج تلفزيوني لتكون على تركيز 100 جزء في المليون.
  3. إعداد 15٪ (ث / ت) حل الجيلاتين عن طريق إذابة 64.5 ملغ من الجيلاتين في 0.43 مل من برنامج تلفزيوني. دوامة الحل ووضعه في حمام مائي عند 37 درجة مئوية حتى تصل إلى مرحلة سول، حيث يصبح الحل فلويديك. ثم، دوامة حل الجيلاتين 2-3 مرات لضمان عشر البريد تجانس العينة.
  4. إعداد ص (NIPAM- شارك -AAm) / حل MNPs بعقار نموذج (BSA):
    1. تفريق 10.75 ملغ من ماء MNPs في 0.43 مل من برنامج تلفزيوني ومن ثم تذوب 12.9 ملغ من ص (NIPAM- شارك -AAm) في تعليق حركة الأشخاص الطبيعيين لجعل تركيز على 3٪ (ث / ت). تركيز متزايد من ص (NIPAM- شارك -AAm) يمكن استخدامها لتحقيق السلوك deswelling زيادة microgels.
    2. استخدام تكساس الأحمر مترافق ألبومين المصل البقري (TR-BSA، M ث ~ 66 كيلو دالتون) كدواء نموذج. حل 0.5 ملغ من TR-BSA في خليط من ص (NIPAM- شارك -AAm) / MNPs.
  5. إعداد خليط من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) / MNPs حل جيش صرب البوسنة / (0.86 مل) وذلك بإضافة خليط من ص (NIPAM- شارك -AAm) / MNPs (0.43 مل) في محلول الجيلاتين (0.43 مل)، وبعد ذلك دوامة لهم بدقة لجعل مزيج متجانس. وهكذا، فإن تركيزات من البوليمرات وحركة الأشخاص الطبيعيين تصبح نصف تركيزات الأولية في الخليط النهائي.

الصورة = "jove_title"> 2. استحلاب

  1. صب 15 مل من زيت السيليكون [ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (اللزوجة 350 CST)] في كوب نظيف ومعقم.
  2. على الفور إضافة خليط مائي معدة سلفا من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) / MNPs حل جيش صرب البوسنة / (0.86 مل) في زيت السيليكون واستحلب الخليط المائي في مرحلة النفط واثارة مع شريط التحريك المغناطيسي في 900 دورة في الدقيقة في 30 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.

3. دبق ونقل الصغرى قطرات إلى محلول مائي

  1. نقل مستحلب (~ 16 مل) من الكأس في أنبوب 50 مل.
  2. يبرد الأنبوب لمدة 10 دقيقة في 4 درجة مئوية لمدة دبق من قطرات متناهية الصغر في مجال النفط.
  3. ملء الأنبوب مع الحل L64 استعداد (في 4 درجة مئوية) حتى 50 مل وهزة بقوة الأنبوب. قد يكون من الممكن أن جزءا من L64 السطحي سيكون ضمن microgels.
  4. أنبوب الطرد المركزي لمدة 20 دقيقة في 2300 x ج في 4 درجة مئوية.
  5. بانتظامذ تحقق من وجود بيليه من الجسيمات هلام على جانب الأنبوب. إذا لا ينظر الجسيمات، الطرد المركزي لمدة 20 دقيقة أخرى في نفس السرعة ودرجة الحرارة. الشروع في إزالة بعناية طاف دون الإخلال بيليه شكلت على الجدار الداخلي للأنبوب.
  6. كرر الخطوات من (3.3) إلى (3.5) مرة أخرى. في كل مرة، ونقل العينة إلى أنبوب جديد لتجنب إدراج أي قطرات النفط في تعليق microgel. بعد هذه الخطوة، تأكد من أن السطحي أو قطرات النفط ليست موجودة في تعليق العينة. ومع ذلك، فإن الخطوات الانفصال المتكرر قد يؤدي إلى فقدان المواد الأولية.

4. التساهمية يشابك من Microgels

  1. إضافة 2 مل من محلول genipin (المعد في القسم 1) إلى بيليه من الجسيمات جل ومزجها جيدا قبل vortexing الحل.
  2. بسرعة نقل أنبوب للتعليق في حمام مائي عند 23 درجة مئوية لبدء التساهمية رد فعل يشابك خلال ديس(. على سبيل المثال، 5-120 دقيقة) IRED الوقت يشابك.
  3. بعد يشابك، على الفور إزالة أي crosslinkers المفرط عن طريق تجاهل الحل genipin، إعادة التعليق على microgels في برنامج تلفزيوني، والطرد المركزي أنبوب لمدة 20 دقيقة في 2300 x ج (4 درجة مئوية). إذا لزم الأمر، بحذر كسر شكلت بصرف النظر بيليه مع طرف ماصة. هذه الخطوة غسل ويمكن تكرار ما يصل الى 3 مرات إذا كان genipin لا يزال متبقي في الحل.
  4. تجاهل طاف و resuspend microgels في برنامج تلفزيوني في مناطق ذات كثافة المطلوبة (على سبيل المثال، 5 × 10 6 microgels / مل) عن طريق حساب عدد مع عدادة الكريات.
  5. لالملاحظات المجهرية، تحميل تعليق microgel في الفضاء بين الشريحة الزجاجية وزلة تغطية وختم حدود زلة غطاء مع راتنجات الايبوكسي.

5. تطبيق بالتناوب المجال المغناطيسي للاثار المخدرات الإصدار

  1. وضع أنبوب مع التركيز المطلوب من microgels في الأوساط المائية فيغرفة لفائف مغناطيسية. إذا لزم الأمر، اضافة الى وجود الألياف البصرية التحقيق في درجة الحرارة في أنبوب لمراقبة التغير في درجة الحرارة وسائل الإعلام خلال تطبيق صندوق النقد العربي.
  2. تطبيق الترددات العالية (> 100 كيلو هرتز) صندوق النقد العربي في قوة الحقل المحدد (> 5 كيلو أمبير / م) ولمدة محددة. بعد تطبيق صندوق النقد العربي، الطرد المركزي أنبوب العينة لمدة 20 دقيقة في 2273 x ج (4 درجة مئوية) وجمع طاف لقياس كمية TR-BSA صدر من microgel إلى وسائل الإعلام المحيطة باستخدام القياس الطيفي. الإثارة وانبعاث موجات لتكساس الأحمر هي 584 نانومتر و 612 نانومتر، على التوالي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

عندما يتم تنفيذ البروتوكول بشكل صحيح، ينبغي أن microgels ملفقة تظهر مورفولوجيا كروية تتميز بشكل جيد وتشتت الغروية بأقطار تتراوح ما بين 5 ميكرون إلى 20 ميكرون (الشكل 1B و C). إما MNPs الفلورسنت أو BSA الفلورسنت يمكن استخدامها لتأكيد ما إذا كان MNPs أو المخدرات (BSA في هذه الدراسة) يتم تغليف بشكل صحيح داخل microgel (1D الشكل). يمكن للmicrogels ملفقة تكون مستقرة وتخزينها في 4 درجة مئوية لمدة تصل إلى 4 أسابيع في حالة عدم وجود أي عوامل المهينة إنزيمي بما في ذلك كولاجيناز. إدماج ص (NIPAM- شارك -AAm) في microgel الجيلاتين تمكنه من إظهار درجة الحرارة يعتمد حجم التغيير (الشكل 2A)، والتي الزيادة في درجة الحرارة وسائل الإعلام في الفترة من 22 درجة مئوية إلى 42 درجة مئوية أسفرت عن deswelling من microgels الجيلاتين دمج ص (NIPAM- شارك -AAm) التي كتبها ~ 40٪في الحجم، وعلى النقيض من فقط ~ 10٪ حجم التغيير لmicrogel الجيلاتين دون ص (NIPAM- شارك -AAm) (الشكل 2B). مدى deswelling من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) يمكن ضبطها microgels وظائف من الدرجة يشابك من المصفوفة الجيلاتين وتركيز ص (NIPAM- شارك -AAm) 8.

إذا أدرجت MNPs بشكل صحيح في الجيلاتين / ص (NIPAM-ك-علاء) microgel، ينبغي أن microgel تشهد ارتفاع درجة الحرارة داخل هلام بناء على طلب من صندوق النقد العربي المناسب، والتي ربما تتسبب في زيادة درجة حرارة المحلول كذلك. في هذه الدراسة، نتج عن تطبيق التعرض القصير من صندوق النقد العربي (10 دقيقة) في قوة المجال المغناطيسي من 20 كيلو أمبير / متر في زيادات تدريجية في درجة الحرارة بمقدار 10 درجة مئوية (من 20 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية) في وسائل الإعلام ( الشكل 2C). ومن المتوقع أن زيادة درجة الحرارة الفعلية داخل microgel أن بالبريد أعلى بكثير من تلك التي لوحظت في وسائل الإعلام، منذ مصفوفة من microgel قد تعيق تبديد الحرارة إلى المنطقة المحيطة بها. مدى الافراج عن TR-BSA من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) وقد تم قياس / MNPs أن يكون ~ 35٪، في حين كان الإفراج TR-BSA من الجيلاتين / MNPs microgel دون دمج ص (NIPAM- شارك -AAm) انخفاض ملحوظ في ~ 10٪ (الشكل 2D). وهكذا، نتائجنا تشير إلى أن الإفراج عن ديوان الرقابة المالية ردا على طلب صندوق النقد العربي والناجمة عن deswelling من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) / MNPs microgel، ويرتبط مع انكماش ص (NIPAM- شارك -AAm) سلاسل البوليمر ضمن microgel (الشكل 3). منذ مدى deswelling microgel يتناسب مع كلا مدى ارتفاع درجة الحرارة وتركيز ص (NIPAM- شارك -AAm) 8، ووضع استراتيجية لزيادة كمية إما MNPs 24 أو ص (NIPAM- شارك -AAm) 8 في الخطوة 1 في قسم البروتوكول قد يؤدي إلى زيادة إطلاق س BSA و في قوة مجال معين وتيرة الطلب صندوق النقد العربي.

الشكل 1
الشكل 1. إعداد Microgels الهجين الجيلاتين. (A) نظرة تخطيطية للتصنيع microgels استجابة مغناطيسيا. (ب) المرحلة النقيض من صورة مجهرية من تعليق الغروية من microgels مغناطيسي استجابة دمج الجسيمات النانوية مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic (MNPs) والحرارية استجابة ص (NIPAM- شارك -AAm) سلاسل. شريط النطاق = 50 ميكرون. (ج) التفاضل تدخل النقيض (DIC) صورة microgel واحد. شريط مقياس = 5 ميكرون. (D) الإسفار صورة مجهرية من microgel واحد التغليف TR-BSA. إشارات مضان في الصورة هي من TR-BSA. شريط مقياس = 5 ميكرون.ك "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. الحرارية التي تراعي السلوك Deswelling وBSA بيان من Microgels الهجين الجيلاتين. (A) وصور الممثل مدينة دبي للإنترنت تبين deswelling من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) microgel الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة من 22 درجة مئوية إلى 42 درجة مئوية. تم تعديل هذا الرقم من إشارة [8]. (ب) مقارنة بين نسبة deswelling (الحجم النهائي / الحجم الأولي) من microgels الجيلاتين نقية وmicrogels الجيلاتين تضمين ص (NIPAM- شارك -AAm) سلاسل استجابة لارتفاع درجة الحرارة من 22 درجة مئوية إلى 42 درجة مئوية. تم تعديل هذا الرقم من إشارة [8]. (ج) التغيرات في درجة حرارة الغرفة في وسائل الإعلام خلال تطبيق صندوق النقد العربي (في قوة مجال 20kA / م وفي frequ ency من 2.1 ميغاهيرتز). (D) الافراج عن TR-BSA (٪) استجابة لصندوق النقد العربي (20 كيلو أمبير / متر في 2.1 ميغاهيرتز) تطبيق لمدة 10 دقيقة. وكان كميا مدى الافراج عن TR-BSA من microgels عن طريق قياس نسبة كثافة مضان TR-جيش صرب البوسنة، في وسائل الإعلام من حل microgels بعد التحفيز صندوق النقد العربي، إلى إجمالي كثافة مضان TR-BSA داخل microgles قبل التحفيز صندوق النقد العربي في 22 درجة مئوية ، وذلك باستخدام مقياس الطيف الضوئي *: ص <0.05 بين الجماعات الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. توضيح تخطيطي لآلية المحتملة التي الجيلاتين / ص (NIPAM-ك-علاء) / MNPs Microgel صحفية المخدرات في الاستجابة لطلب صندوق النقد العربي."_blank"> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

التكنولوجيا الموصوفة هنا يوضح دليل على مفهوم على استخدام السيارات الهجينة جسيمات متناهية الصغر microgel لإطلاق سراح المخدرات مغناطيسي حراريا تشغيلها. وقد تحقق ذلك من خلال entrapping جسديا MNPs وص (NIPAM- شارك -AAm) سلاسل ضمن شبكة الجيلاتين ثلاثية الأبعاد الميكروسكيل crosslinked بواسطة genipin. وكانت منصة المغناطيسية الميدان استجابة كافية لتوليد الحرارة داخل microgel استجابة لصندوق النقد العربي يطبق بعد، والتي تسببت بدورها في الإفراج عن المخدرات نموذج، BSA.

تظهر استراتيجية لتضمين كل من MNPs وص (NIPAM- شارك -AAm) أن تكون حاسمة لتحقيق الافراج عن المخدرات المطلوب من microgel الجيلاتين، منذ مدى إطلاق BSA من الجيلاتين / MNPs microgel في غياب ص (شارك NIPAM- -AAm) كان أقل بكثير من واحد من microgel دمج ص (NIPAM- شارك -AAm)، على الرغم من أن مدى ارتفاع درجة الحرارة إلى تطبيق صندوق النقد العربي كانت متشابهة في كلا النوعين من microgels (الشكل 2C و 2D). أثبتنا أن سلوك deswelling من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) microgel يسببها انكماش ص (NIPAM- شارك -AAm) سلاسل البوليمر في استجابة للزيادة في درجة الحرارة؛ علاوة على ذلك، يرتبط السلوك deswelling بإيجابية مع مدى تحرر الدواء من microgel 8. أخذت معا، وهذا يدعم أن انكماش ص (NIPAM- شارك -AAm) بسبب MNPs التدفئة قد تكون القوة الدافعة الرئيسية لإطلاق سراح BSA من الجيلاتين / ص (NIPAM- شارك -AAm) / microgels MNPs.

ذكرنا سابقا أن تطبيق صندوق النقد العربي وتيرة عالية لMNPs يمكن أن تؤدي الزيادة في درجة الحرارة على سطح MNPs بطريقة غير متناسبة مع حجم القوة صندوق النقد العربي وتركيزات MNPs 25. وقد تبين أن قوة صندوق النقد العربي من 5-30 كيلو أمبير / متر كافية للحث على التدفئة المناسبة على سطح MNPs 9،25،26. وهكذا، ومدى يختلط المخدراتتخفيف من الجيلاتين / ص (NIPAM-ك-علاء) / MNPs microgel يمكن ضبطها بتغيير مناسب المعلمات، والتي تشمل كمية ص (NIPAM-ك-علاء)، يشابك الوقت، وكمية من MNPs، والمعلمات صندوق النقد العربي (حقل شدة، والتردد، ومدة التعرض).

في بروتوكول لدينا لافتعال microgels مغناطيسي حراريا استجابة، فإن الخطوة الأكثر أهمية هي يشابك التساهمية الجزيئات جل الجيلاتين في حل genipin. مراقبة دقيقة من الوقت يشابك ودرجة الحرارة، وكذلك الحفاظ على تجانس تعليق microgel في حل genipin، وذلك لتحقيق المطلوب مرونة هلام، والتي قد تؤثر على responsivity microgel. بعد يشابك، وإزالة جزيئات genipin غير المتفاعل هو أيضا خطوة هامة.

وقد تبين الجيلاتين أن يكون حيويا مع انخفاض المناعة وتحلل إنزيمي 8،27. وcrosslinker الكيميائية، genipin وقد اعتبر، أن تكون غير سامة <سوب> 28. وبالتالي، لدينا منصة تسليم المخدرات القائم على الجيلاتين واظهار خصائص responsivity المغناطيسية والتحلل البيولوجي مناسبة قد توفر أداة مفيدة لتطبيق هندسة الأنسجة باعتبارها الناقل المخدرات على الطلب.

ولكن تجدر الإشارة أيضا إلى أن البروتوكول الحالي والقيود. أولا، microgels التي أدلى بها طريقة استحلاب الماء في النفط تظهر عادة التشتت المتعدد، مما قد يؤدي إلى عدم التجانس في تغليف الأدوية وMNPs بين الجسيمات. على microfluidics يمكن أن يكون بديلا جيدا للتغلب على هذا القيد 29. ثانيا، نظام توصيل الدواء الحالي لا يزال لديه الحد من أنه لا يجب أن تستخدم في درجة حرارة الجسم من 37 ج نظرا لدرجة صغيرة من deswelling مميزة في درجة الحرارة، ويرتبط مع قيمة منخفضة نسبيا من LCST (~ 34 ج) للبولي (NIPAM- شارك -AAm) البوليمر المستخدم في هذه الدراسة. استخدام البوليمر thermoresponsive التي يمكن أن تظهر على LCST أعلى قد تغلب ثيالصورة المسألة 30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذه الدراسة من قبل جائزة الابتكار الأسرة فارس والمعاهد الوطنية للصحة 1R01NR015674-01 لعضو الكنيست. الكتاب أشكر جوسيب Nayfach (Qteris، المؤتمر الوطني العراقي) لتوفير نظام مولد الكهرومغناطيسي وكذلك الاستشارات الفنية له. أشكر الكتاب أيضا هوان يان (LCI والكيماويات برنامج متعدد التخصصات الفيزياء، جامعة ولاية كينت) لها المساعدين التقنيين.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 °C
Silicone oil Sigma-Aldrich, MO, USA 378372 Viscosity 350 cSt
Pluoronic L64 Sigma-Aldrich, MO, USA 435449 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Langer, R. Biomaterials in drug delivery and tissue engineering: one laboratory's experience. Acc. Chem. Res. 33, 94-101 (2000).
  2. Rivest, C. M., Morrison, D., Ni, B., Rubib, J., Yadav, V., Mahdavi, A., Karp, J., Khademhosseini, A. Microscale hydrogels for medicine and biology: synthesis, characteristics and applications. J Mech Mater Struct. 2, 1103-1119 (2007).
  3. Kawaguchi, H. Thermoresponsive microhydrogels: preparation, properties and applications. Polym. Int. 63, 925-932 (2014).
  4. Vinogradov, S. V. Colloidal microgels in drug delivery applications. Curr. Pharm. Des. 12, 4703-4712 (2006).
  5. Liechty, W. B., Kryscio, D. R., Slaughter, B. V., Peppas, N. A. Polymers for drug delivery systems. Annu Rev Chem Biomol Eng. 1, 149-173 (2010).
  6. Kumari, A., Yadav, S. K., Yadav, S. C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids Surf. B Biointerfaces. 75, 1-18 (2010).
  7. Shibayama, M., Tanaka, T. Volume Phase-Transition and Related Phenomena of Polymer Gels. Adv Polym Sci. 109, 1-62 (1993).
  8. Sung, B., Kim, C., Kim, M. H. Biodegradable colloidal microgels with tunable thermosensitive volume phase transitions for controllable drug delivery. J Colloid Interface Sci. 450, 26-33 (2015).
  9. Kumar, C. S., Mohammad, F. Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 63, 789-808 (2011).
  10. Mura, S., Nicolas, J., Couvreur, P. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery. Nat. Mater. 12, 991-1003 (2013).
  11. Kong, S. D., et al. Magnetic field activated lipid-polymer hybrid nanoparticles for stimuli-responsive drug release. Acta biomaterialia. 9, 5447-5452 (2013).
  12. Hayashi, K., et al. Magnetically responsive smart nanoparticles for cancer treatment with a combination of magnetic hyperthermia and remote-control drug release. Theranostics. 8, 834-844 (2014).
  13. Suzuki, D., Kawaguchi, H. Stimuli-sensitive core/shell template particles for immobilizing inorganic nanoparticles in the core. Colloid Polym Sci. 284, 1443-1451 (2006).
  14. Bhattacharya, S., Eckert, F., Boyko, V., Pich, A. Temperature-, pH-, and magnetic-field-sensitive hybrid microgels. Small. 3, 650-657 (2007).
  15. Wong, J. E., Gaharwar, A. K., Muller-Schulte, D., Bahadur, D., Richtering, W. Dual-stimuli responsive PNiPAM microgel achieved via layer-by-layer assembly: Magnetic and thermoresponsive. J Colloid Interf Sci. 324, 47-54 (2008).
  16. Zhao, X., et al. Active scaffolds for on-demand drug and cell delivery. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 67-72 (2011).
  17. Xu, F., et al. Release of magnetic nanoparticles from cell-encapsulating biodegradable nanobiomaterials. ACS nano. 6, 6640-6649 (2012).
  18. Li, Y. H., et al. Magnetic Hydrogels and Their Potential Biomedical Applications. Adv Funct Mater. 23, 660-672 (2013).
  19. Cooperstein, M. A., Canavan, H. E. Assessment of cytotoxicity of (N-isopropyl acrylamide) and poly(N-isopropyl acrylamide)-coated surfaces. Biointerphases. 8, 19 (2013).
  20. Jorgensen, L., Moeller, E. H., van de Weert, M., Nielsen, H. M., Frokjaer, S. Preparing and evaluating delivery systems for proteins. Eur J Pharm Sci. 29, 174-182 (2006).
  21. Holland, T. A., Tabata, Y., Mikos, A. G. In vitro release of transforming growth factor-beta 1 from gelatin microparticles encapsulated in biodegradable, injectable oligo(poly(ethylene glycol) fumarate) hydrogels. J Control Release. 91, 299-313 (2003).
  22. Liang, H. C., Chang, W. H., Lin, K. J., Sung, H. W. Genipin-crosslinked gelatin microspheres as a drug carrier for intramuscular administration: in vitro and in vivo studies. J Biomed Mater Res. Part A. 65, 271-282 (2003).
  23. Solorio, L., Zwolinski, C., Lund, A. W., Farrell, M. J., Stegemann, J. P. Gelatin microspheres crosslinked with genipin for local delivery of growth factors. J Tissue Eng Regen Med. 4, 514-523 (2010).
  24. Regmi, R., et al. Hyperthermia controlled rapid drug release from thermosensitive magnetic microgels. J Mater Chem. 20, 6158-6163 (2010).
  25. Kim, M. H., et al. Magnetic nanoparticle targeted hyperthermia of cutaneous Staphylococcus aureus infection. Ann Biomed Eng. 41, 598-609 (2013).
  26. Ivkov, R., et al. Application of high amplitude alternating magnetic fields for heat induction of nanoparticles localized in cancer. Clin Cancer Res. 11, 7093s-7103s (2005).
  27. Huang, S., Fu, X. Naturally derived materials-based cell and drug delivery systems in skin regeneration. J Control Release. 142, 149-159 (2010).
  28. Malafaya, P. B., Silva, G. A., Reis, R. L. Natural-origin polymers as carriers and scaffolds for biomolecules and cell delivery in tissue engineering applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 59, 207-233 (2007).
  29. Shah, R., Kim, J., Agresti, J., Weitz, D., Chu, L. Fabrication of monodisperse thermosensitive microgels and gel capsules in microfluidic devices. Soft Matter. 4, 2303-2309 (2008).
  30. Hoare, T., et al. Magnetically triggered nanocomposite membranes: a versatile platform for triggered drug release. Nano letters. 11, 1395-1400 (2011).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 108، Microgel، والجيلاتين، الحرارية استجابة البوليمر، بالتناوب المجال المغناطيسي، النانوية مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic، التحفيز magnetothermal، تسليم المخدرات
بالتناوب المغناطيسي Microgels الجيلاتين الهجين-الميدان الاستجابة لرقابة الإصدار المخدرات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sung, B., Shaffer, S., Sittek, M.,… More

Sung, B., Shaffer, S., Sittek, M., Alboslemy, T., Kim, C., Kim, M. H. Alternating Magnetic Field-Responsive Hybrid Gelatin Microgels for Controlled Drug Release. J. Vis. Exp. (108), e53680, doi:10.3791/53680 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter