Alternerande magnetfält-Responsive Hybrid Gelatin Mikrogeler för kontrollerad läkemedelsdosering

Summary

Vi presenterar en enkel metod för att tillverka en biologiskt nedbrytbar gelatinbaserat läkemedelsfrisättnings plattform som är magneto-värmekänsligt. Detta uppnåddes genom att införliva superparajärnoxidnanopartiklar och poly (N-isopropylacrylamide- co akrylamid) inom ett sfäriskt gelatinmikro nätverk tvärbunden med genipin, i samband med ett alternerande magnetfält ansökningssystemet.

Abstract

Magnetiskt responsiva nano / mikro-engineered biomaterial som möjliggör en hårt kontrollerad, on-demand drug delivery har utvecklats som nya typer av smarta mjuka anordningar för biomedicinska tillämpningar. Även om ett antal av magnetrespons drug delivery system har visat verkningsgraderna genom antingen in vitro bevis för konceptstudier eller in vivo prekliniska applikationer, är deras användning i kliniska situationer fortfarande begränsas av deras otillräckliga biokompatibilitet eller nedbrytbarhet. Dessutom har många av de befintliga plattformarna beroende av sofistikerade tekniker för sina påhitt. Vi visade nyligen tillverkning av biologiskt nedbrytbara, gelatinbaserat värmekänslig mikrogel genom att fysiskt infånga poly (N-isopropylacrylamide- co -akrylamid) kedjor som en mindre komponent inom ett tredimensionellt gelatin nätverk. I denna studie presenterar vi en enkel metod för att tillverka en biologiskt nedbrytbar läkemedelsfrisättnings plattform som möjliggör en magneto-thermally utlöst frisättning av läkemedel. Detta uppnåddes genom att införliva superparajärnoxidnanopartiklar och värmekänslig polymerer inom gelatinbaserade kolloidala mikrogeler, i samband med ett alternerande magnetfält ansökningssystemet.

Introduction

Stimuli-responsiva drug delivery system som möjliggör en hårt kontrollerad läkemedelstillförsel som svar på antingen endogena eller exogena stimuli (t ex., Temperatur eller pH) har undersökts som nya typer av smarta mjuka anordningar för läkemedelstillförsel. Mikroskala hydrogeler har använts i stor utsträckning används som en drog leveransplattform genom att de ger kontrollerbara och hållbara läkemedelsfrisättningsprofiler samt avstämbara kemiska och mekaniska egenskaper ^1-3. I synnerhet kolloidala mikrogeler uppvisar många fördelar som ett fordon för läkemedelstillförsel på grund av deras snabba respons på yttre stimuli och lämplig inmatnings lokal vävnad i ett minimalt invasiva sätt ^4. Poly (N-isopropylakrylamid) (pNIPAM) eller dess sampolymerer har fått stor spridning i syntes värmekänslig mikrogeler genom ympning pNIPAM med biologiskt nedbrytbara / biokompatibla polymerer inklusive gelatin, chitosan, alginat syra, eller hyaluronsyra ^5,6, I vilken en fasövergång karakteristisk för pNIPAM vid dess lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST) kan användas som en trigger för läkemedelsfrisättning ^7. Vi visade nyligen en tillverkning av biologiskt nedbrytbar, gelatin-baserade värmekänslig mikrogel genom att införliva poly (N-isopropylacrylamide- co akrylamid) [p (NIPAM- co -AAm)] kedjor som en mindre komponent inom tredimensionella gelatin nätverk ^8. Gelatin / p (NIPAM- co -AAm) mikrogel uppvisade en avstämbar avsvällning för temperaturökning, som är positivt korrelerad till frisättning av bovint serumalbumin (BSA).

Under de senaste åren har det ökat insatserna för att utveckla en magnetiskt mottaglig drug delivery plattform som kan utlösa frisättningen av läkemedlet i en on-demand mode ^9,10. Grundprincipen för syntes av magnetiskt känslig läkemedelsleveransplattform utnyttjar egenskap hos superparananopartiklar (MNP) för att generera värme när de får en högfrekvent alternerande magnetfält (AMF), som triggar en temperaturkänslig läkemedelsfrisättning. Detta håller löftet för framtida kliniska tillämpningar inom det här systemet kan rikta djupt in i vävnaden, kan en icke-invasiv och fjärr kontrollerad läkemedelsdosering och kan kombineras med hypertermi behandling och magnetresonanssystem ^10-12. Sådana plattformar inkluderar: (1) MNP / pNIPAM hybrid mikrogelpartiklar ^13-15 och (2) makroskopiska hydrogel ställningar inkorporerande immobiliserade MNP ^16-18. De pNIPAM-baserade mikrogelpartiklar plattformar visade en fint-avstämbar volym fasövergång mottaglighet för magneto-thermal stimuli. Emellertid förlitar de sig fortfarande på komplexa och sofistikerade tekniker i tillverkningen och användningen av pNIPAM polymerer med en hög halt kan potentiellt cytotoxisk mot celler ^19, vilket kan begränsa deras in vivo applikationer. De makroskopiska byggnadsställningar uppvisar en relativly långsamma reaktion på yttre stimuli och kräver en invasiv kirurgisk transplantation jämfört med kolloidalt mikrogeler.

Vatten-i-olja-emulgering har varit standardmetoden för att producera submillimeter eller mikrometerstora gelpartiklar ^20. Vid vatten-olja-gränssnittet av emulsionen, bildar mikrogel partikel en sfärisk form på grund av minimeringen av ytenergin hos vattendroppen under mekanisk skjuvkraft. Denna metod medger framställning av en stor mängd av vattenhaltiga sfäriska gel droppar i en enkel tillverkningsprocedur och har med framgång antagits för tillverkning av gelatinbaserade mikrogeler för läkemedelsleveranstillämpningar ^21-23.

Här presenterar vi en enkel metod för att syntetisera en magnetothermally responsiva gelatinbaserade mikrogeler för läkemedelsavgivning applicering genom användning av vatten-i-olja-emulgering metoden. Detta uppnåddes genom att fysiskt innehåller järnoxid MNP och p (NIPAM- co –AAm) kedjor som en mindre komponent inom ett sfäriskt mikrogelatin nätverk som är kovalent tvärbunden med en naturligt härledda tvärbindare genipin, i samband med en högfrekvent alternerande magnetfält (AMF) ansökningssystemet.

Protocol

Obs: Den övergripande processen för tillverkning av magnetiska fältkänsliga gelatin mikrogeler visas i figur 1A. 1. framställning av lösningar och suspensioner Förbereda en tvärbindare genipin (1% vikt / volym) lösning genom upplösning av 20 mg av genipin i 2 ml fosfatbuffrad saltlösning (1x PBS; pH 7,4). Vortex lösningen och häll i en 50 ° C vattenbad under 2 timmar för fullständig upplösning av lösningen. Bered en lösning …

Representative Results

När protokollet utförs korrekt, bör fabricerade mikrogeler uppvisar en väldefinierad sfärisk morfologi och kolloidalt dispergerbarhet med diametrar i intervallet mellan 5 pm till 20 pm (Figur 1B och C). Antingen fluorescerande MNP eller fluorescerande BSA kan användas för att bekräfta om MNP eller droger (BSA i denna studie) är korrekt inkapslade i mikrogelen (figur 1D). De tillverkade mikrogeler kan vara stabil och förvarades …

Discussion

Den teknik som beskrivs här visar en proof of concept på användningen av nanopartiklar-mikrogelpartiklar hybrider för magneto-termiskt triggad frisättning av läkemedel. Detta uppnåddes genom att fysiskt infånga MNP och p (NIPAM- co -AAm) kedjor inom en mikro tredimensionellt gelatin nätverk tvärbunden genom genipin. Magnetfältet svarande plattformen var tillräcklig för att alstra värme i mikrogelen som svar på en på avstånd tillämpas AMF, som i sin tur utlöses frisättningen av ett modelläke…

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