Summary
De beweging regimes ibuprofen ingekapseld in β-cyclodextrine nanosponges polymeer netwerk worden bestudeerd met behulp van pulsed-field-gradient spin-echo (PGSE) NMR-techniek. Synthese, zuivering, geneesmiddelbelading, uitvoering van de NMR pulssequentie en gegevensanalyse uitwerken de gemiddelde kwadratische verplaatsing van het geneesmiddel op verschillende observatietijdstippen worden beschreven.
Abstract
De chemische verknoping van β-cyclodextrine (β-CD) met ethyleendiaminetetraazijnzuurdianhydride (EDTA) tot genoemd cyclodextrine nanosponges (CDNSEDTA) vertakte polymeren. Twee verschillende preparaten worden beschreven onder 1: 4 en 1: 8 CD-EDTA molverhoudingen. De overeenkomstige verknoopte polymeren werden in contact gebracht met 0,27 M waterige oplossing van ibuprofen natriumzout (IP) leidt tot homogene kleurloze geneesmiddel geladen hydrogels.
De systemen werden gekenmerkt door een hoge resolutie magic angle spinning (HR-MAS) NMR-spectroscopie. Gepulseerd veldgradiënt spin-echo (PGSE) NMR spectroscopie werd gebruikt om de gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD) van IP binnen de polymere gel bepalen in verschillende observatietijdstippen td. De data werden verder verwerkt om de tijdsafhankelijkheid van MSD bestuderen VIB = f (t d). De voorgestelde werkwijze is nuttig om de verschillende diffusie regimes die karakteriserenin principe kan de opgeloste ervaren in de hydrogel, namelijk normale of abnormale diffusie. De volledige protocols zoals de polymeerbereiding en zuivering, het verkrijgen van met geneesmiddel beladen hydrogels, de NMR monsterbereiding, de meting van MSD door HR-MAS NMR spectroscopie en de uiteindelijke gegevensverwerking de tijdsafhankelijkheid van MSD bereiken worden hier vermeld en besproken . De gepresenteerde experimenten vormen een paradigmatische zaak en de gegevens worden besproken in termen van innovatieve benadering van de karakterisering van de transport eigenschappen van een ingekapselde gast binnen een polymere scala aan mogelijke toepassing voor drug delivery.
Introduction
Er is een groeiende belangstelling voor het ontwerp en formulering van polymere systemen die vangende via niet-covalente binding, kleine moleculen met potentiële biochemische activiteit. Dergelijke materialen zullen naar verwachting toepassingen op het transport van de werkzame selectieve doel te vinden kort na het optreden van externe stimuli, zoals schommelingen in de pH, temperatuur, etc. Hierbij hydrogels bleek veelzijdig en krachtig materialen zijn nanomedicine gezien gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen 1. De vorming van polymere hydrogelen kunnen worden bereikt door het onderling verbinden van de macromoleculaire ketens door i) fysische, non-covalente interacties zoals waterstofbindingen, ii) covalente verknoping van de keten leidt tot een driedimensionaal netwerk kunnen zwellen in de aanwezigheid van een waterige oplossing of iii) een combinatie van beide genoemde werkwijzen 2-4.
Een bijzonder veelzijdige klasse van drie-dimensional, zwelbare polymeren voor het inkapselen van organische en anorganische componenten kunnen worden verkregen uitgaande van natuurlijke β-cyclodextrine (β-CD) via condensatie met geschikte geactiveerde derivaten van een tetracarbonzuur 5-8 die tot cyclodextrine nanosponges (CDN). De synthese, karakterisering en toepassing van CDN's is een geconsolideerde onderzoeksthema van onze groep. Resultaten De afgelopen jaren blijkt dat CDN tonen intrigerende eigenschappen van zwelling, absorptie / opname van chemicaliën en afgifte van kleine geneesmiddel moleculen met toepassingen in gecontroleerde afgifte van farmaceutische werkzame bestanddelen 9-11 en milieuchemie 12-14.
Gezien deze gebouwen, twee belangrijke problemen die moeten worden aangepakt betreffen de efficiënt laden van de actieve verbinding in de polymere gel en een beter begrip van de mobiliteit opgeloste stoffen in de gel matrices 15 16,17. Een gepulseerd veld-gradiënt spin-echo (PGSE) NMR spectroscopie is een gevestigde methode structurele wijd gebruikt om de translationele diffusie van kleine moleculen in oplosmiddelen 18 of zelfdiffusie zuivere vloeistoffen bestuderen. De recente ontwikkelingen van hoge resolutie magic angle spinning (HR-MAS) NMR-technologie maakt het mogelijk om hoge resolutie NMR-gegevens van de mobiele moleculen te verzamelen in heterogene schorsingen 19, gels en zwelbare polymeren 20,21. Inderdaad, de experimentele opstelling combinatie van HR-MAS NMR-spectroscopie en de PGSE pulssequentie biedt een unieke gelegenheid om de opgeloste moleculen waarnemen in moleculaire omgeving van de gastheer. Belangrijke gegevens over de transporteigenschappen van de omsloten geneesmiddel molecuul binnen een gelmatrix kan aldus worden verkregen. Hoge kwaliteit experimentele gegevens kan dus obtai zijnned waardoor een meer rationele ontwerp van nanogestructureerde gastheer-gast systemen.
In dit werk beschrijven we de gedetailleerde protocollen voor de volgende stappen: i) synthese en zuivering van twee verschillende formulering van CDN verknoopt met EDTA polymeren (figuur 1), aangeduid als CDNSEDTA en gekenmerkt door verschillende CD / verknoper molair verhouding: 1: 4 (CDNSEDTA 1: 4) en 1: 8 (CDNSEDTA 1: 8); ii) de bereiding van met geneesmiddel beladen hydrogels zowel CDNSEDTA 1: 4 en CDNSEDTA 1: 8. In deze stap gebruik gemaakt, als model geneesmiddelmolecuul de populaire niet-steroïdale anti-inflammatoire ibuprofen natriumzout (IP); iii) het grondig onderzoek van de transport eigenschappen van IP binnen de CDNSEDTA hydrogels via PGSE-HRMAS NMR-spectroscopie. De werkwijze die we voorstellen is hier gebaseerd op de meting van de gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD) van het ingekapselde geneesmiddel in de hydrogel, gevolgd door de analyse van de tijdsafhankelijkheid van de MSD.
we wish benadrukken dat de bovengenoemde methode - die gericht is op de tijdsafhankelijkheid van MDS het geneesmiddel in de matrix - wordt een breder spectrum van informatie in vergelijking met de geconsolideerde methode berust op het bepalen van alleen de drug diffusiecoëfficiënt. We hebben onlangs aangetoond 21 dat deze aanpak toegestaan voor de discriminatie van normale en abnormale diffusie regimes ervaren door IP opgesloten in CDN hydrogels.
Wij geloven een dat de stap-voor-stap beschrijving van polymeersynthese / zuivering vorming van de met geneesmiddel beladen hydrogels, HR-MAS NMR karakterisatie en verwerken van MDS data, is een krachtige toolkit voor wetenschappers vindt het karakteriseren nanogestructureerde systemen voor de opsluiting en het vrijkomen van kleine moleculen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Synthese van CDNSEDTA Polymers
- Droge β-cyclodextrine (β-CD) in een stoof bij 80 ° C gedurende 4 uur voor gebruik. Droge 500 ml dimethylsulfoxide (DMSO) en 100 ml triethylamine (Et3N) over moleculaire zeven (4 A) gedurende 24 uur alvorens ze in het protocol.
- Introduceren 25 ml DMSO in een ml één-hals rondbodem kolf 50. Onder magnetisch roeren, voeg 5,675 g β-CD (5 mmol). Om klontvorming te verminderen, voeg de β-CD poeder in kleine porties DMSO.
- Na ongeveer 30 minuten, voeg 6 ml Et3N aan de homogene oplossing met een 10 ml maatpipet. Houd het mengsel onder roeren gedurende 15 minuten bij kamertemperatuur. Duik de kolf in een waterbad bij kamertemperatuur.
OPMERKING: De reactie tussen β-CD en EDTA is exotherm. Daarom stort de kolf in het waterbad begunstigt de warmtewisseling vermijden van oververhitting van het reactiemengsel. - Voeg 5,124 g (20 mmol, de voorbereiding van CDNSEDTA 1: 4) en 10,248 g (40 mmol, bereiding van CDNSEDTA 1: 8) van EDTA-dianhydride onder intens roeren.
- Na 3 uur, verwijder het vaste materiaal (CDNSEDTA 1: 4 of CDNSEDTA 1: 8) uit de kolf met een spatel en pletten grove met een mortier en een stamper.
- Was het vaste materiaal op filtreerpapier met aceton bij kamertemperatuur (100 ml x 5 maal) met 0,1 M HCl (200 ml x 5 maal) en gedeïoniseerd water (200 ml x 3 keer).
- Tenslotte wordt de vaste stof in lucht bij kamertemperatuur gedurende 48 uur, pletten fijn in een vijzel en houden vervolgens onder vacuüm (<15 mbar) gedurende 2 uur bij 45 ° C.
Figuur 1. Schematische weergave van de CDNSEDTA Polymers Schematische syntheseroute. Links: moleculaire structuur van het monomeer β-cyclodextrine (β-CD) en verknopingsmiddel EDTA-dianhydride. Op de pijl de algemene reactieomstandigheden. Rechts:. Schets van het verknoopte polymeer Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. HR-MAS NMR metingen
- HR-MAS NMR Monstervoorbereidingstesten
- Bereid een oplossing 0,27 M van ibuprofen natriumzout (IP) in gedeutereerd water (99,8%).
- Voeg 20 mg CDNSEDTA 1: 4 en 2 mg watervrij natriumcarbonaat (Na 2 CO 3) aan 150 gl van de oplossing bereid in punt 2.1.1) in een 2 ml glazen flesje. Meng de inhoud van het flesje met een kleine spatel om het te homogeniseren. Wacht 2 uur alvorens de gel gevormd met deze procedure. Herhaal dit voor de CDNSEDTA 1: 8 polymeer.
- Plaats de gel in een 5 mm NMR rotor geschikt voor HR-MAS NMR experimenten met een kleine spatel. Het totale bedrag van de gel te gebruiken, hangt af van het interne volume van de rotor (12 ul aanbevolen).
- HR-MAS 1H NMR Experimenten
- Stel de volgende instrumentele parameters: rotor spinnen snelheid van 4 kHz bij de MAS pneumatische besturingseenheid, monster temperatuur op 305 K in de variabele temperatuur unit.
- Het verwerven van de 1 H-HR MAS NMR spectra van ibuprofen in CDNSEDTA (1: 4) en CDNSEDTA (1: 8) polymeersystemen via een conventionele pulssequentie op de protonresonantie.
- Maak een nieuwe dataset. Klik op het tabblad "AcquPars". Selecteer de PULPROG: zg.
- Selecteer het aantal scans (NS = 4) en de vertraging tussen hen (D1 = 5 sec) .Stel de spectrale breedte (SW = 8 ppm), de tijd domein (TD = 16K) en de ontvanger gain (RG = 32 ).
- Type "zg" op het bedieningspaneel en zal er een vrije inductieverval (FID) op het scherm. Om het verwerken van de gegevens, klik op het tabblad "ProcPars". Stel de spectrale grootte (SI = 32K), een exponentiële vermenigvuldiging venster functie (WDW = EM) en lijn verbreding (LB = 1).Type "ft" naar de Fourier transformatie uit te voeren. Fase het spectrum met het tabblad fase op het scherm. Het verkrijgen van een hoge resolutie goed opgelost spectrum.
Figuur 2: het bipolair pulsparen Longitudinaal Eddy Current Delay (BPPLED) Impulsvolgorde Schematische weergave van de pulssequentie gebruikt om de PFGSE experimenten.. De fase cyclus voor de 90 ° pulsen is: P1: (0) 16, P2: (0022) 4, P3: (0) 4 (2) 4 (1) 4 (3) 4, P4: (0202 2020 1313 3131 ), P5: (0) 4 (2) 4 (1) 4 (3) 4. De 180 ° pulsen worden + X. (gewijzigd ten opzichte van ref.18) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- HR-MAS 1 OPMERKING: De PGSE experimenten worden uitgevoerd met de BPPLED pulsreeks 18 weergegeven in figuur 2. Dit is een pseudo tweedimensionale experiment met een gradiënt helling lineair toeneemt van 2% tot 100% in de indirecte dimensie. De signaalintensiteit wordt verzwakt afhankelijk van de diffusietijd Δ en de gradiëntpuls δ. Het optimaliseren van deze parameters is vereist voordat goed werkt een PGSE experiment. De optimalisatie wordt uitgevoerd door het uitvoeren van een aantal metingen 1D waarin Δ constant wordt gehouden, terwijl δ wordt gevarieerd.
- parameters Optimization
- Maak een nieuwe dataset - experiment nummer 1. Klik op het tabblad "AcquPars". Selecteer de PULPROG: ledbpgp2s1d de 1D pulssequentie voor diffusie optimalisatie.
- Selecteer het aantal scans (NS = 16) en de tijdvertraging tussen hen (D1 = 10 sec). Stel de spectrale breedte (SW = 8 ppm), thij tijd domein (TD = 16K) en de ontvanger gain (RG = 32).
- Stel Δ (D20 in de sequentie) gelijk is aan een constante waarde en δ (p30) op een proces waarde. Start waarde Δ = 50 msec, δ = 3 msec (maximum toegestane waarde voor hoge resolutie instrumenten).
- Lees de waarde van de spectrale frequentie (SFO1) vanaf het 1 H experiment en gebruiken nu deze waarde. Stel de GPZ6 gradiëntsterkte tot 2%. Herhaal stap 2.2.2.3. Gebruik spectrum als referentie voor de optimalisatie.
- In dezelfde dataset maken het experiment nummer 2. Neem alle experimentele parameters. Verhoog de GPZ6 gradiënt kracht tot 95%. Herhaal stap 2.2.2.3. Vergelijk dit spectrum met de referentie-spectrum via het display icoon dual en observeer de verandering in het signaal intensiteit.
OPMERKING: Een goed verzwakte spectrum moet ongeveer 5% resterende signaalintensiteit hebben ten opzichte van de referentie-spectrum. Als de intensiteit van het signaal verloren gaat, vermindering van de waarde van δ en restaart de sectie 2.3.1 procedure vanaf punt 2.3.1.3 tot de juiste waarde voor δ is gevonden. - Herhaal de parameters optimalisatie procedure in paragraaf 2.3.1 voor alle vijf Δ waarden.
OPMERKING: Kies vijf waarde Δ = 50, 80, 110, 140 en 170 msec en geoptimaliseerd de overeenkomstige δ met 3, 2,7, 2,4, 2,1, 1,8 msec (voor IP in CDNSEDTA 1: 8) en ó 2,7, 2,4 , 2, 1,7, 1,4 (voor IP in in CDNSEDTA 1: 4).
- Overname van de 2D Diffusion Data Set
- In dezelfde gegevensset maakt het experiment nummer 3, worden alle 1D experimentele parameters worden geladen. Typ "eda". Selecteer de PULPROG: ledbpgp2s de 2D-pulssequentie en verander de parmode naar 2D.
- Stel FnMODE = QF. Stel het tijdsdomein TD in F2 gelijk moet zijn aan 32 het aantal gradientstappen. Alle andere parameters correct zijn ingesteld. Type "DOSY" en het verloop tijden worden gegenereerd en opgeslagen in een bestand. de start en de definitieve waarden van de helling (2-95) worden gegeven als input parameters. De overname is nu begonnen.
- parameters Optimization
- data Processing
- Type "XF2" naar de Fourier transformatie uitvoeren F2 dimensie. Type "ABS2" naar de basislijn correctie uitvoeren in de F2 dimensie. Type "setdiffparm" om de experimentele parameters (Δ, δ en gradiënt lijst) voor de volgende processtap te roepen.
- Klik "T1 / T2 relaxatie" onder het tabblad analyse en pieken worden aangebracht met de eerste spectrum van het 2D experiment definiëren. Definieer de piek bereiken en uitvoeren van de fitting. Het signaal intensiteiten bij iedere aangevraagde gradiëntstap verkregen.
Opmerking: Het signaal intensiteiten I (q, t d) voor elke Δ waarde, afhankelijk van de experimentele variabelen toegepast pulse ingediende gradiënt (g), tijdsvariabele (δ), magnetogyric verhouding (γ) q = (γgδ) volgens de following vergelijking:
de moleculaire MSD = z 2. - Exporteren signaalintensiteiten in een spreadsheet en uitvoeren van een lineaire regressie van de gegevens aan de waarde van z 2 te verkrijgen voor elke waargenomen diffusietijd t d.
OPMERKING: De MSD waarde wordt gerelateerd aan de observatietijd td volgens:
- Voer de log-log grafiek van z 2 versus t d voor elke experimentele t d waarde. De exponent α waarde is de helling van de lineaire regressie. Een uitvoerige bespreking van de fysische aspecten van de bovenvermelde vergelijkingen kunnen worden gevonden in ref. 21 en in de referenties daarin.
Opmerking: Afhankelijk van de waarde van de exponent α, wordt de diffusie regime verstaan: i) isotrope onbeperkte diffusie voor α = 1, ii) abnormaal subdiffusive regeling voor 0 <α <1, iii) abnormale superdiffusive regeling voor α> 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
We eerst heeft deze methode toegepast op de IP geneesmiddelmolecuul opgelost in water oplossing om de levensvatbaarheid van deze benadering te controleren. Een volledige beschrijving van de representatieve resultaten kan worden gevonden in ref. 21. In plaats daarvan zullen we hier focussen op de methodologische aspecten en de noten-en-bouten aanpak van gegevensverzameling en analyse. Figuur 3 toont, op een semi-logaritmische schaal, het genormaliseerde experimentele signaal vervalt I (q, t d) / I (0, t d) als een functie van q 2 (volgens punt 2.4). In Tabel 1 worden vermeld de waargenomen MSD waarden voor elke diffusietijd Δ. De log-log grafiek van z 2 versus t d (figuur 3) geeft een lijn met R 2 = 0,999 (volgens paragraaf 2.4). Een schaling exponent α = 1 wordt verkregen IP opgelost in D2O oplossing, hetgeen een Gaussische beweging in de vloeibare oplossingop 0,27 M concentratie. Alleen in dit geval de zelf-diffusiecoëfficiënt kan derhalve worden berekend als D = 4,1 * 10 -10 m 2 sec - 1 en is onafhankelijk van de observatietijd Δ.
Tabel 1:. Experimentele MSD en Δ waarden MSD (m 2) gemeten op verschillende Δ (ms) voor IP in D2O oplossing IP in CDN (1: 4) en IP in CDN (1: 8) hydrogels. (Gewijzigd ten opzichte van ref. 21).
Figuur 3:.. Plot van de NMR Signal Decay en MSD Time Afhankelijkheid a) Genormaliseerd NMR signaal verval I (q, t d), als functie van q 2 voor IP in D 2 O-oplossing b) Log-log plot van MSD vs diffusie tijd t d voorIP in D2O oplossing. (gewijzigd ten opzichte van ref. 21) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De experimentele procedure is gebruikt om de diffusie beweging van IP geneesmiddelmolecuul ingekapseld in CDNSEDTA 1 studeren: 4 en CDNSEDTA 1:. 8 hydrogels Figuur 4 toont de genormaliseerde experimentele signaal vervalt I (q, t d) / I (0, t d ) als functie van q 2. Gebruik het lineaire gedeelte van het verval van de lineaire fit en bereken de MSD waarden voor CDN dan 1: 4 en CDN 1: 8 monsters (Tabel 1) uit de helling van de lineaire fit. De log-log grafiek van MSD versus t d (Figuur 5) geeft een lineaire correlatie met R 2 = 0,981 voor IP in CDNSEDTA (1: 4) en een schaalfactor exponent α = 0,64 wijst op een sub-diffusieve beweging van de Dr. UG in de polymere gel. Met behulp van een soortgelijke procedure, de ontwerp-regeling voor IP in CDNSEDTA (1: 8) polymeer werd bepaald. De lineaire fit van de gegevens gaf een schaalvergroting exponent α = 1.06 met R2 = 0,972. Het polymeernetwerk legt een enigszins superdiffusive beweging om de kleine geneesmiddelmolecuul. Zo geeft de voorgestelde methodiek toegang tot de α exponent van de gerapporteerde bij punt 2.4.5 vergelijking met een twee-staps verwerking van gegevens. De α waarde is een descriptor van de diffuse regime waargenomen voor de gegeven matrix en gast-molecuul.
Figuur 4: Plot van de NMR Signal Decay genormaliseerde NMR storingsvrij signaal I (q, t d) als functie van q 2 voor IP in CDNSEDTA 1:. 4 (a) en CDNSEDTA 1: 8 (b). (Gewijzigd ten opzichte van ref. 21)lank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5:. Tijdsafhankelijkheid van MDS log-log grafiek van MSD versus diffusietijd td voor IP ingekapseld in CDNSEDTA 1: 4 (a) en CDNSEDTA 1: 8 (b). (gewijzigd ten opzichte van ref. 21) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We presenteren een experimentele methode om de verspreiding regime van een kleine molecule drug ingekapseld binnen twee representatieve formuleringen van CDNSEDTA hydrogels te bepalen. HR-MAS NMR PGSE maakt de bepaling van de gemiddelde kwadratische verplaatsing van kleine moleculen in een bepaalde diffusie tijd (in de orde van enkele milliseconden tot seconde), dan controle afstanden in de micrometer schaal. In het traject waargenomen (50-170 msec) slechts één type beweging wordt waargenomen voor elke onderzochte systeem. Er zij echter op gewezen dat langere waarnemingstijden de overgang tussen verschillende regimes diffusie kan worden waargenomen 22. Zo is het hier gerapporteerde resultaten wordt verwezen naar de tijdschaal gedicteerd door de beschikbare middelen voor de experimenten en met de instrumenten die ons ter beschikking hardware.
Voor elke stap van dit werk - polymeer synthese, hydrogel laden, HR-MAS NMR verzamelen en verwerken van gegevens, plaatsen we hier de drie belangrijkste problemen eend de bijbehorende oplossing.
Zuivering
De zuivering van de materialen volgens de werkwijze uiteengezet in het punt 1,6 maakt de eliminatie van DMSO, Et3N en de ongereageerde EDTA de eventueel in het reactieproduct. Vooral wassen met 0,1 M HCl-oplossing leidt tot de volledige verwijdering van Et3N Het wassen van de materialen slechts aceton is niet efficiënt voor dit doel. Inderdaad, Et3N is gedeeltelijk aanwezig als Et NH 3 + aan het eind van de reactie met de tegenionen COO door de verknoopte EDTA.
NMR monstervoorbereiding
De rotor vulling is de kritische stap voor de bereiding van de monsters (zie 2.1.3). De aanwezigheid van luchtbellen worden vermeden. Indien luchtbellen aanwezig zijn, wordt een onjuiste spinnen in het algemeen gedetecteerd (bv maximale rotatiesnelheid niet bereikt, spinnen helemaal niet, niet unif startorm spinning tarief). In het geval van niet-uniforme spinnen of niet gaan draaien de rotor, Extraheer het monster en herhaal de rotor vullen zorgvuldiger.
NMR Data-analyse
In punt 2.4.2 wordt beschreven hoe MSD waarden te verkrijgen van de intensiteit verval bochten. Heel vaak de experimentele punten lijken niet om een volledig lineaire trend vs q 2 volgen. In een dergelijk geval is, gebruik dan alleen het lineaire deel van de dataset en uitvoeren van de lineaire regressie.
De verkregen resultaten kunnen als volgt worden samengevat:
D 2 O oplossing
In dit eenvoudige geval, de MSD toont lineaire afhankelijkheid van de diffusie tijd Δ en het IP-molecuul ondergaan onbeperkte diffusie in oplossing. Dit geval wordt in het algemeen aangeduid als "normaal" diffusie. De self-diffusiecoëfficiënt kan direct worden geschat op basis van een enkele meting op elk observatie time t d. In een algemene benadering kan de meting van diffusiviteit in isotrope moleculaire oplosmiddel als referentie om de invloed van de steiger op de transporteigenschappen van de ingekapselde gast onderzoeken.
CDNSEDTA 1: 4 polymeer
Het insluiten van IP in de polymere hydrogel beïnvloedt de drug transporteigenschappen opzichte van de wateroplossing. Een subdiffusive beweging met α = 0,64 wordt gedetecteerd. De translatiebeweging van de geneesmiddelmoleculen wordt belemmerd door de aanwezigheid van nanoporiën van verschillende grootte ontstaan tijdens de verknopingsmethode.
CDNSEDTA (1: 8) polymeer
In dit geval is de onverwachte waarde α = 1,06 wordt bepaald, hetgeen wijst op een enigszins superdiffusive beweging regime. Dienovereenkomstig wordt een versnelling effect op de deeltjes MSD waargenomen (tabel 1). Dit effect kan worden toegeschreven aan de negatieve elektrische potentiaal van de polymere backbone gegenereerd door de carboxylgroepen negatief geladen in sommige delen van het CDN polymeer. De elektrostatische interactie met de negatief geladen moleculen IP levert de drijvende kracht voor de superdiffusive component van de beweging.
De hier beschreven verschaft gegevens over de verspreiding regime ervaren door het geneesmiddel in de verschillende moleculaire omgeving die overeenkomt met de beide hydrogels methodologie Formulering door de waarde van de exponent α hierboven besproken. Deze aanpak is algemeen toepasbaar en kan met vertrouwen worden voorgesteld als het onderzoeken instrument van de transport eigenschappen van het ingekapselde geneesmiddel, met interessante fall-out voor het ontwerp van systemen drug delivery-gecontroleerde afgifte. Er moet echter rekening mee worden gehouden dat de hier gepresenteerde resultaten lijden onder de hardware beperking van de instrumenten die worden gebruikt.
Bovendien zouden sommige beperkende factoren voor de algemene toepasbaarheid van de methode zijn hypothesized: de bereiding van met geneesmiddel beladen gels met lipofiele en / of niet geladen geneesmiddelen, de mogelijkheid om sterke hechting van het geneesmiddel aan de polymeerhoofdketen, hetgeen leidt onopgeloste NMR signalen en moeilijkheden bij pH-regeling. Tenslotte zij vermeld dat de diffusie NMR-gegevens omvatten de ms-schaal, terwijl de klassieke in vitro medicijnafgifte experimenten vertrouwen op veel langere-ramen. Dit is een open punt onderwerp van onderzoek en debat. Als een mogelijke bijdrage aan dit probleem aan te pakken, hebben we onlangs onderzocht de verspreiding van gegevens van een model geneesmiddel in de bibliotheek van koolhydraat-gebaseerde hydrogels en afgeleide van een wiskundig model het verbinden van de metingen op moleculair niveau met de kinetische gegevens 23. Grotere collecties van de verspreiding van gegevens en bredere bibliotheken van steigers in onderzoek te verfijnen en te valideren van het model.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HR-MAS probe | BRUKER | N/A | Probe for NMR measurements on semi-solid samples |
| NMR Spectrometer | BRUKER | DRX 500 | FT NMR spectrometer for liquid ans semi-solis state |
| β-cyclodextrin (β-CD) | Alfa-Aesar | J63161 | Reagent |
| Ethylenediaminetetracetic (EDTA) dianhydride | Sigma-Aldrich | 332046 | Reagent |
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Alfa-Aesar | D0798 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich | 471283 | Base (reagent) |
| Ibuprofen (IP) sadium salt | Sigma-Aldrich | I1892 | Antinflammatory drug |
| Excel 2010 | Microsoft | N/A | speadsheet for data analysis |
| Origin 8 SR0 | OriginLab Co. | speadsheet for data analysis |
References
- Sharpe, L. A., Daily, A. M., Horava, S. D., Peppas, N. A. Therapeutic applications of hydrogels in oral drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv. 11, 901-915 (2014).
- Hennik, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv. Drug Deliv. Rev. 54, 13-36 (2002).
- Yu, L., Ding, J. D. Injectable hydrogels as unique biomedical materials. Chem. Soc. Rev. 37, 1473-1481 (2008).
- Ma, M., Kuang, Y., Gao, Y., Zhang, Y., Gao, P., Xu, B. Aromatic-Aromatic Interactions Induce the Self-Assembly of Pentapeptidic Derivatives in Water To Form Nanofibers and Supramolecular Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 132, 2719-2728 (2010).
- Trotta, F., Tumiatti, W. Patent WO. , 03/085002 (2003).
- Trotta, F., Tumiatti, W., Cavalli, R., Zerbinati, O., Roggero, C. M., Vallero, R. Ultrasound-assisted synthesis of cyclodextrinbased nanosponges. Patent WO. , 06/002814 (2006).
- Trotta, F., Cavalli, R. Characterization and applications of new hyper-cross-linked cyclodextrins. Compos. Interface. 16, 39-48 (2009).
- Cavalli, R., Trotta, F., Tumiatti, W. Cyclodextrin-based nanosponges for drug delivery. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 56, 209-213 (2006).
- Trotta, F., et al. Cyclodextrin-based nanosponges as a vehicle for antitumoral drugs. Patent WO. , 09/003656 (2009).
- Vyas, A., Shailendra, S., Swarnlata, S. Cyclodextrin based novel drug delivery systems. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 62, 23-42 (2008).
- Swaminathan, S., Vavia, P. R., Trotta, F., Torne, S.
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Gericke, G., Sithole, S. P. Cyclodextrin nanosponges in the removal of organic matter to produce water for power generation. Water SA. 34, 657-660 (2008).
- Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Nxumalo, E. N. Monofunctionalized cyclodextrin polymers for the removal of organic pollutants from water. Environ.Chem. Lett. 5, 79-84 (2007).
- Mhlanga, S. D., Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J. Removal of organic contaminants from water using nanosponge cyclodextrin polyurethanes. J. Chem. Technol. Biot. 82, 382-388 (2007).
- Lehmann, S., Seiffert, S., Richtering, W. Spatially Resolved Tracer Diffusion in Complex Responsive Hydrogels. J. Am. Chem. Soc. 134, 15963-15969 (2012).
- Ferrer, G. G., Pradas, M. M., Ribelles, J. L. G., Colomer, F. R., Castilla-Cortazar, I., Vidaurre, A. Influence of the nature of the porous confining network on the sorption, diffusion and mechanical properties of hydrogel IPNs. Eur. Polym. J. 46, 774-782 (2010).
- Santoro, M., Marchetti, P., Rossi, F., Perale, G., Castiglione, F., Mele, A., Masi, M. Smart approach to evaluate drug diffusivity in injectable agar-carbomer hydrogels for drug delivery. J. Phys. Chem B. 115, 2503-2510 (2011).
- Johnson, C. S. Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectroscopy. 34, 203-256 (1999).
- Viel, S., Ziarelli, F., Caldarelli, S. Enhanced diffusion-edited NMR spectroscopy of mixtures using chromatographic stationary phases. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 9696-9698 (2003).
- Alam, T. M., Hibbs, R. M. Characterization of heterogeneous solvent diffusion environments in anion exchange membranes. Macromolecules. 47, 1073-1084 (2014).
- Ferro, M., Castiglione, F., Punta, C., Melone, L., Panzeri, W., Rossi, B., Trotta, F., Mele, A. Anomalous diffusion of Ibuprofen in cyclodextrin nanosponges hydrogels: an HR-MAS NMR study. Beilstein J. Org. Chem. 10, 2715-2723 (2014).
- Wolf, G., Kleinpeter, E. Pulsed Field Gradient NMR Study of Anomalous Diffusion in a Lecithin-Based Microemulsion. Langmuir. 21, 6742-6752 (2005).
- Rossi, F., Castiglione, F., Ferro, M., Marchini, P., Mauri, E., Moioli, M., Mele, A., Masi, M. Drug-Polymer interactions in hydrogel-based drug-delivery systems: an experimental and theoretical study. Chem. Phys. Chem. , (2015).
