Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Магнитный и термочувствительный Poly ( doi: 10.3791/55648 Published: July 4, 2017

Summary

В этой рукописи описывается получение магнитных и термочувствительных микрогелей через индуцированную температурой эмульсию без химической реакции. Эти чувствительные микрогели были синтезированы путем смешивания поли ( N- изопропилакриламида) (PNIPAAm), полиэтиленимина (PEI) и Fe 3 O 4 -NH 2 наночастиц для потенциального использования в магнитно-термически активированном высвобождении лекарственного средства.

Abstract

Магнитные и термически чувствительные поли ( N- изопропилакриламид) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 микрогели с инкапсулированным противораковым лекарственным средством curcumin (Cur) были спроектированы и изготовлены для электромагнитного срабатывания. Магнитные микрогели на основе PNIPAAm со сферической структурой были получены с помощью индуцированной температурой эмульсии с последующим физическим сшиванием путем смешивания магнитных наночастиц PNIPAAm, полиэтилененина (PEI) и Fe 3 O 4 -NH 2 . Из-за их дисперсности наночастицы Fe 3 O 4 -NH 2 были встроены в полимерную матрицу. Аминные группы, подвергшиеся воздействию на поверхности Fe 3 O 4 -NH 2 и PEI, поддерживали сферическую структуру физическим сшиванием с амидными группами PNIPAAm. Гидрофобный противораковый лекарственный куркумин может быть диспергирован в воде после инкапсулирования в микрогели. Микрогели были охарактеризованыС помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR) и спектрального анализа UV-Vis. Кроме того, магнитное инициированное высвобождение изучалось при внешнем высокочастотном магнитном поле (HFMF). Значительный «разрывный выброс» куркумина наблюдался после применения HFMF к микрогелям из-за эффекта магнитного индуктивного нагрева (гипертермия). В этой рукописи описывается контролируемое магнитно-контролируемое высвобождение инкубацированного куркумина Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , который может быть потенциально применен для лечения опухолей.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Гидрогели представляют собой трехмерные (3D) полимерные сети, которые не могут растворяться, но могут набухать в водных растворах 1 . Полимерные сети имеют гидрофильные домены (которые могут быть гидратированы для обеспечения структуры гидрогеля) и сшитая конформация (которая может предотвратить коллапс сети). Были исследованы различные методы получения гидрогелей, такие как эмульсионная полимеризация, анионная сополимеризация, сшивание соседних полимерных цепей и обратная микроэмульсионная полимеризация 2 . Физические и химические сшивки вводятся с помощью этих методов для получения структурно стабильных гидрогелей 1 , 3 . Химическое сшивание обычно требует участия сшивающего агента, который соединяет основную цепь или боковую цепь полимеров. По сравнению с химическим сшиванием, физическое сшивание является лучшим выбором для fabr Из-за избегания сшивающего агента, поскольку эти агенты часто являются токсичными для практического применения. 4 . Было исследовано несколько подходов к синтезу физически сшитых гидрогелей, таких как сшивание с ионным взаимодействием, кристаллизация, связывание между амфифильными блоками или прививка на полимерных цепях и водородная связь 4 , 5 , 6 , 7 .

Стимулирующие чувствительность полимеры, которые могут подвергаться изменениям конформационных, химических или физических свойств в ответ на различные условия окружающей среды ( например , температура, рН, свет, ионная сила и магнитное поле), в последнее время привлекли внимание как потенциальная платформа для систем с контролируемым высвобождением , Доставка лекарств и противораковая терапия 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Исследователи фокусируются на термочувствительных полимерах, где внутренняя температура может быть легко контролируемой. PNIPAAm является термически чувствительным полимером, который содержит как гидрофильные амидные группы, так и гидрофобные изопропильные группы и имеет более низкую критическую температуру раствора (LCST) 13. Водородное соединение между амидными группами и молекулами воды обеспечивает диспергируемость PNIPAAm в водном растворе при низких температурах (ниже LCST), тогда как водородная связь между полимерными цепями происходит при высоких температурах (выше LCST) и исключает воду Молекулы, так что полимерная сеть разрушается.Что касается этого уникального свойства, было опубликовано много сообщений для получения самоорганизованных гидрогелей, вызванных температурой, путем регулирования гидрофобного и гидрофильного отношения длины полимерной цепи, такого как сополимеризация, прививка или побочные реакции, Цепная модификация для фармацевтических препаратов14 , 15 , 16 , 17 .

Магнитные материалы, такие как железо, кобальт и никель, также получили повышенное внимание в течение последних десятилетий для биохимических применений 18 . Среди этих кандидатов оксид железа наиболее широко используется из-за его стабильности и низкой токсичности. Наноразмерные оксиды железа мгновенно реагируют на магнитное поле и ведут себя как суперпарамагнитные атомы. Однако такие мелкие частицы легко объединяются; Это уменьшает поверхностную энергию, и поэтому они теряют свою дисперсность. Для улучшения дисперсности воды прививка или покрытие для защиты слоя обычно применяются не только для разделения каждой отдельной частицы на стабильность, но и для дальнейшей функционализации реакционного участка 19 .

Здесь мы изготовили магнитную микросхему на основе PNIPAAmГелей для использования в качестве носителей лекарственных средств для систем с контролируемым высвобождением. Процесс синтеза описан и показан на фиг. 1 . Вместо сложной сополимеризации и химического сшивания, новая термоиндуцированная эмульсия PNIPAAm с последующим физическим сшиванием была использована для получения микрогелей без дополнительного поверхностно-активного вещества или сшивающих агентов. Это упростило синтез и предотвратило нежелательную токсичность. В рамках такого простого протокола получения синтезированные микрогели предлагали дисперсию воды как для наночастиц магнитного оксида железа, так и для гидрофобного противоракового лекарственного средства, куркумина. FT-IR, TEM и визуализация обеспечивали доказательства дисперсии и инкапсуляции. Из-за встроенного Fe 3 O 4 -NH 2 магнитные микрогели показали потенциал для работы в качестве микроустройств для контролируемого высвобождения под HFMF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Синтез поверхностно-модифицированных, вододиспергируемых, магнитных наночастиц, Fe 3 O 4 и Fe 3 O 4 -NH 2

  1. Добавить 14,02 г FeCl 3 , 8,6 г FeCl 2 · 4H 2 O и 250 мл воды в 500-мл стакан.
  2. Подключите ротор и контроллер, чтобы настроить механическое перемешивание. Смешайте раствор со скоростью 300 об / мин в течение 30 мин при комнатной температуре (RT).
  3. Добавьте 25 мл гидроксида аммония (33%) в раствор при комнатной температуре и продолжайте перемешивание (300 об / мин) в течение 30 мин. Держите стакан открытым.
    ВНИМАНИЕ: Гидроксид аммония может вызвать раздражение носа при вдыхании. Этот шаг должен выполняться внутри подходящего вытяжного шкафа.
  4. Чтобы собрать магнитные оксиды железа (Fe 3 O 4 ), удалите механическое перемешивание. Поместите магнит под мензурку, чтобы собрать черные частицы.
    1. После того, как наночастицы Fe 3 O 4 полностью осаждаются, осторожно удалите супернатант. Не встряхивайте bПри выливании супернатанта, чтобы избежать потери Fe 3 O 4 .
    2. Удалите магнит и добавьте 50 мл пресной воды в стакан.
    3. Встряхните стакан для повторного диспергирования Fe 3 O 4 . Повторите шаги с 1.4 по 1.4.2 три раза, чтобы очистить Fe 3 O 4 .
  5. После последней промывки переносите все Fe 3 O 4 (10 г) в 100-мл стеклянный флакон. Добавьте воду, пока общий объем раствора не станет 100 мл. Встряхните стеклянную бутылку энергично, пока не появятся комки.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Протокол можно приостановить здесь. Получают наночастицы Fe 3 O 4 .
  6. Измените Fe 3 O 4 аминосиланом (Fe 3 O 4 -NH 2 ).
    1. Возьмите 100 мл раствор со стадии 1.5 и перенесите в стакан емкостью 1000 мл. Добавить 10 мл раствора аммиака, 90 мл воды и 900 мл этанола в стакан.
    2. Используйте магнитную мешалку для смешивания раствора при300 об / мин. Добавьте по каплям 500 мкл (3-аминопропил) триэтоксисилана (APTES) в стакан при комнатной температуре и перемешивают еще 12 часов.
  7. Очистить и собрать Fe 3 O 4 -NH 2, как описано в разделе 1.4.
  8. Повторно диспергировать 1 г Fe 3 O 4 -NH 2 (из стадии 1.7) в стеклянной бутылке емкостью 20 мл с 20 мл воды.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Протокол можно приостановить здесь. Получают наночастицы Fe 3 O 4 -NH 2 .

2. Синтез органических-неорганических гибридных микрогелей с помощью термоиндуцированной эмульсии

  1. Приготовление раствора 1-1 и 1-2 .
    1. Для раствора 1-1 добавляют 0,25 г PNIPAAm, 5 мл раствора Fe 3 O 4 (со стадии 1.5) и 0,2 г PEI в стеклянную бутылку объемом 50 мл. Добавить 20 мл воды и использовать магнитную мешалку для перемешивания при 300 об / мин в течение 30 мин.
    2. Для решения 1-2 повторите шаг 2.1.1, но замените Fe 3 O 4 как Fe3 O 4 -NH 2 (из шага 1.8).
  2. Чтобы приготовить раствор 2 , добавить 0,8 г PEI и 18,2 мл воды в 50-мл стеклянный флакон. Используйте водяную баню для нагрева раствора до 70 ° C в течение 30 минут. Подготовьте вторую бутылку раствора 2 .
  3. Подготовка PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
    1. Используйте ультразвуковой дезодорант для ультразвука (50 Вт), магнитную мешалку для перемешивания (300 об / мин) и водяную баню для нагрева раствора 2 (70 ° С).
    2. Добавьте раствор 1-1 к нагретому раствору 2 по каплям, используя 3-мл шприц со скоростью 1 мл / мин.
    3. Продолжать обработку ультразвуком, перемешивание и нагревание при 70 ° C в течение 30 минут.
    4. Охладите раствор до комнатной температуры. Удалите раствор из клеточного разрушителя и водяной бани.
    5. Соберите микрогели, положив магнит близко к стеклянной бутылке.
    6. Удалите супернатант afМикроэлементы осаждались до нижней части стеклянной бутылки.
    7. Добавить еще 25 мл воды в стеклянную бутылку и повторно разобрать микрогели путем встряхивания. Это решение - PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
      ПРИМЕЧАНИЕ. Протокол можно приостановить здесь.
  4. Получение PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
    1. Используйте ультразвуковой дезодорант для ультразвука (50 Вт), магнитную мешалку для перемешивания (300 об / мин) и водяную баню для нагрева раствора 2 (70 ° С).
    2. Добавьте раствор 1-2 в нагретый раствор 2 по каплям, используя 3-мл шприц со скоростью 1 мл / мин.
    3. Продолжать обработку ультразвуком, перемешивание и нагревание при 70 ° C в течение 30 минут.
    4. Охладите раствор до комнатной температуры. Удалите раствор из клеточного разрушителя и водяной бани.
    5. Соберите микрогели, положив магнит близко к стеклянной бутылке.
    6. Как только микрогели выпадут в осадок, удалитеСупернатант.
    7. Добавить еще 25 мл воды в стеклянную бутылку и повторно разобрать микрогели путем встряхивания. Это решение представляет собой PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
      ПРИМЕЧАНИЕ. Протокол можно приостановить здесь.

3. Подготовка микроггелей, загруженных куркумин (Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 )

ПРИМЕЧАНИЕ. Эти шаги должны выполняться в темноте.

  1. Добавьте 100 мг Cur и 20 мл этанола в 20 мл стеклянной бутылки.
  2. Возьмите 2 мл раствора Cur и перенесите в раствор PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (шаг 2.4.7). Перемешать при 400 об / мин и RT в течение ночи.
  3. После перемешивания при 400 об / мин и RT в течение ночи используйте магнит для сбора PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2, как описано в шагах 2.4.5 и 2.4.6.
  4. Добавить еще 25 мл воды в стеклянную бутылку и повторно разобрать микрогели путем встряхивания. Это решение C Ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .

4. Выпуск лекарств с магнитным пуском

  1. Перенесите 10 мл раствора Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и добавьте 2 мл воды в 15-мл центрифугирующую трубку.
  2. Поместите центрифугирующую трубку в центр катушки для применения HFMF 20 . Применяют HFMF при 15 кГц в течение 20 мин.
  3. Извлеките 0,5 мл раствора HFMF и замените свежим 0,5 мл воды каждые 2 мин при применении HFMF.
  4. Перенесите отобранный раствор в кювету 1 мл.
  5. Измерьте поглощение отобранного раствора УФ / Вис при 482 нм 21 .
  6. Определите концентрацию высвобождаемых лекарств, используя зависимость поглощения и концентрации от стандартной калибровочной кривой 22 .
    ПРИМЕЧАНИЕ. Стандартное отношение калибровки:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Где коэффициент корреляции равен 0,9993.

5. Характеристика магнитных микрогелей

  1. Термогравиметрический анализатор (TGA) 23 .
    1. Измерьте потерю веса PNIPAAm / Fe 3 O 4 и PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 по сравнению с температурой в атмосфере воздуха с помощью TGA.
      1. Нагрейте образец от RT до 100 ° C и держите при этой температуре в течение 10 минут, чтобы исключить влажность. Нагрейте образец от 100 ° C до 800 ° C со скоростью 10 ° C / мин. Взвесьте образцы.
      2. Назовите потерю веса и температуру как PNIPAAm / Fe 3 O 4, так и PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
        ПРИМЕЧАНИЕ. Вес остатка представляет собой либо Fe 3 O 4, либо Fe 3 O 4 -NH 2 , а потерянный вес - PNIPAA.
  2. ИК-Фурье"> 24.
    1. Сушат 10 мг образца с 1 г KBr при 100 ° С в течение ночи.
    2. Прессовать смесь с этапа 5.2.1 в гранулы, как описано на следующих стадиях (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. Измельчите материалы с шага 5.2.1 в мелкий порошок, используя раствор и пестик.
      2. Поместите собранное устройство (раствор и пестик) в пресс-пеллет. Выровняйте устройство в точную середину пресса.
      3. Насос пресса до достижения давления 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Дайте таблетке сидеть при этом давлении в течение 5 мин.
        ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Выровняйте устройство в точную середину пресса, иначе образец будет выходить из раствора и вызывать травму от воздействия.
      4. Удалите штамп, содержащий гранулу и поршень, из пресса.
      5. Поверните его вверх дном и прокачайте поршень, чтобы вытащить гранулу.
    3. Запишите спектры поглощения FT-IR образцов FT-IR на частотах от 400 до 4000 см -1 -1 24 .
  3. Морфологические наблюдения по TEM 25 .
    1. Опустите раствор образца на медную сетку, покрытую коллодием, а затем высушите при комнатной температуре или в духовке с температурой 70 ° C в течение ночи.
    2. Возьмите изображения TEM.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Сильные электронные лучи могут повредить образцы. Поэтому изображения TEM следует принимать как можно быстрее.
  4. Водно-дисперсионные способности полимеров и микрогелей.
    1. Для приготовления раствора PNIPAAm добавьте 7 мг PNIPAAm и 7 мл воды в 7-мл стеклянную бутылку. Используйте вихрь для смешивания раствора до тех пор, пока не будет агрегатов.
    2. Чтобы приготовить раствор PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , перенесите 0,7 мл раствора PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (этап 2.4.7) в 7-мл стеклянную бутылку и добавьте 6,3 мл воды. Используйте вихрь для смешивания раствора до тех пор, пока не будет осадков.
    3. Чтобы подготовить Cur-PNIPAAM / Fe 3 O 4 -NH 2 , переносят 0,7 мл раствора Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (шаг 3.4) в стеклянный флакон объемом 7 мл и добавляют 6,3 мл воды. Используйте вихрь для смешивания раствора до тех пор, пока не будет осадков.
    4. Сфотографируйте решения (шаги 5.4.1 - 5.4.3) с помощью цифровой камеры.
    5. Поместите растворы в печь и установите температуру до 70 ° C. Подождите 2 часа до достижения равновесия.
    6. Сделайте еще одну фотографию решений. Чтобы поддерживать температуру, сделайте снимок в течение 1 мин. Избегайте встряхивания стеклянной бутылки, так как это может повторно рассеять осадки.
  5. Для магнитного сбора микрогелей положите сильный магнит рядом с раствором Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (шаг 5.4.3). Подождите, пока микрогели будут полностью собраны, затем сделайте снимок.
    1. Удалите магнит и встряхните раствор микрогеля до полного диспергирования. Сделайте еще один снимок. </ Li>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Схема для синтеза микрогелей PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2 показана на рисунке 1 . TGA применяли для оценки относительного состава органического соединения по всему микрогелю. Поскольку можно было сжечь только органическое соединение PNIPAAm, был определен относительный состав PNIPAAm и Fe 3 O 4 (или Fe 3 O 4 -NH 2 ) и показан в таблице 1 . Почему микролипы PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 демонстрируют лучшую дисперсность, но содержат более низкое содержание оксидов железа? Из-за более сильного взаимодействия и лучшей дисперсии в PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2, чем в PNIPAAm / Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 -NH 2 легче сшивать PNIPAA, чем Fe 3 O 4 . В результате выходы PNIPAAm / Fe 3 O 2 микрогеля намного выше, чем у PNIPAAm / Fe 3 O 4 . Из-за процессов сбора (шаги 2.3.3 - 2.3.5 и 2.4.3 - 2.4.5) несшитый PNIPAAm удаляли супернатантом, так как магнитный абсорбент может быть магнитно поглощен только магнитным оксидом железа с микрогелями. Как следствие, весовые проценты PNIPAAm в микрогелях составляют 32,37% (PNIPAAm / Fe 3 O 4 ) и 68,56% (PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ). Наночастицы Fe 3 O 4 -NH 2 могут физически сшивать гораздо больше PNIPAA по сравнению с наночастицами Fe 3 O 4 .

Изображения TEM для решений PNIPAAm и магнитных микрогелей были сделаны цифровой камерой при комнатной температуре. Как показано на фиг. 2а , в чистом растворе PNIPAAm при комнатной температуре не существует конкретных структур. Однако регулярные сферические частицы оксида железа( Рисунок 2b ) наблюдались как в микроглинах PNIPAAm / Fe 3 O 4 ( рис. 2c ), так и в PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( рис. 2d ), что свидетельствовало о физической сшивке, возникающей в результате водородной связи между PNIPAAm и PEI , Большинство наночастиц Fe 3 O 4 можно адсорбировать только на поверхности матрицы на основе PNIPAAm и создавать агрегационные кластеры ( рис. 2c ). Тем не менее, APTES-модифицированные наночастицы оксида железа, Fe 3 O 4 -NH 2 могут быть встроены в частицы из-за большей дисперсности воды и меньшего размера магнитных наночастиц ( рис. 3d ) по сравнению с голыми наночастицами Fe 3 O 4 . После загрузки куркумина морфология Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( FiGure 2e) была намного изолирована, чем магнитные микрогели, благодаря гидрофобной характеристике Cur. Результаты также предполагают, что Cur был не только инкапсулирован внутри, но и поглощен на поверхности микрогелей.

Микрогель-препарат и инкапсулирование терапевтической молекулы идентифицировали с помощью FT-IR-анализа, как показано на рисунке 3 . По сравнению с Fe 3 O 4 из литературы 19 , 26 вновь появившиеся пики поглощения при 2927, 1203, 987 и 472 см -1 были связаны с вибрацией растяжения СН, растяжения Si-O-Si, Si-O Растяжение и изгиб Si-O соответственно, что позволило успешно модифицировать APTES для покрытия поверхности наночастиц Fe 3 O 4 . Вибрационные пики Fe-O (584 см -1 ) также наблюдались как в PNIPAAm / Fe 3 O 4 3 O 4 -NH 2 . Однако относительная интенсивность колебаний Fe-O была выше в PNIPAAm / Fe 3 O 4, чем в PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , что также подтвердило наше описание композиции, что лучшая дисперсия воды привела к Лучшее структурное распределение. После процесса загрузки характерные пики поглощения куркумина при 1509 и 3511 см -1, относящиеся к ароматическому изгибу C = C и OH-растяжению, соответственно, появились в FT-ИК-спектрах Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , что Указывает на успешное инкапсулирование куркумина.

Фотографии различных микрогелей при 25 ° C или 70 ° C показаны на рисунке 4 , где молочные и коричневые растворы представляют собой агрегацию PNIPAAm и оксидов железа соответственно. По сравнению с фиг.4а - c , в PNIPAAm, PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и растворах Cur-PNIPAAm / Fe3O 4 -NH 2 при комнатной температуре (25 ° C) не наблюдалось явно видимых скоплений. Решение PNIPAAm и магнитные микрогели стали непрозрачными, когда растворы нагревались выше, чем LCST PNIPAAm, как показано на рисунке 4d- f . Оба магнитных микрогеля были молочными, но диспергированы без какого-либо осаждения, что указывало на большую дисперсность и сильную физическую связь между PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 и куркумином. Как показано на фиг. 5 , магнитные микрогели могут быть легко собраны магнитом и повторно диспергированы в водном растворе без какой-либо агрегации после удаления магнита. Результаты показали, что эти магнитные микрогели потенциально могут быть применены к водной системе доставки, такой как человеческий организм fИли клинические применения.

Контроль поведения in vitro магнитных микрогелей контролировался с помощью HFMF. Установленная экспериментальная установка показана на рисунке 6 , где центрифугирующая трубка должна находиться в центре катушки, несущей магнитное поле. Коричневые осадки, расположенные в центре трубки, были магнитными микрогелями, которые были отделены от растворов при обработке HFMF.

Процент магнитного высвобождения с и без HFMF контролировался и показан на рисунке 7 . По сравнению с процентом высвобождения без HFMF в течение идентичных периодов (20 мин) процент высвобождения увеличивался в 2,5 раза при обработке HFMF, и температура объемного раствора могла быть повышена до более 50 ° C одновременно. Из-за сдерживания термочувствительных полимеров PNIPAAm магнитные микрогели моглиВыжать капсулированный препарат (Cur), в результате чего полимерная матрица PNIPAAm становится гидрофобной и затем конъюгирована при высокой температуре (50 ° C). Между тем, куркумин может быть выпущен для выполнения противораковой терапии, применяя HFMF. Локальное нагревание от магнитной индукции на HFMF может разрушить связывание между Cur и PNIPPAm, хотя ожидается, что гидрофобный Cur связывается с гидрофобным PNIPPAm при высоких температурах. Кроме того, изменение объема (от гидрофильной до гидрофобной и более низкой до более высокой) магнитных микрогелей также вытеснит Cur.

Было отмечено увеличение температуры объемного раствора и показано на рисунке 7 как красная кривая с символом алмаза. Как показано, температура сначала увеличивалась с временем нагрева и плакатом через 14 мин. Плато должно быть насыщением магнитного индуктивного нагрева (гипертермия)В объемной воде. Однако локализованная температура должна быть достаточно высокой, чтобы выжать Cur.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схематический процесс синтеза микролитов PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2.
Смешайте PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 и PEI вместе и нагрейте смесь до 70 ° C, чтобы ввести H-соединение для приготовления микрогеля. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

фигура 2
Рисунок 2. ТЕМ-изображения решений PNIPAAm и магнитных микрогелей. A ) PNIPAAm, b) Fe 3 O 4 , c) PNIPAAm / Fe 3 O 4 , d) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и e) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . Образцы ТЕА были взяты для контроля дисперсности и морфологии образцов. Образцы ТЕМ готовили при комнатной температуре. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3
Рисунок 3. FT-IR-спектры PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . Синтезированные микрогели смешивали с KBr и прессовали в гранулы. Затем FRIR применяли для уточнения взаимодействий oF PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PEI и куркумина, контролируя изменения поглощения функциональных групп. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4
Рисунок 4. Воднодисперсионные способности микрогелей ниже и выше LCST: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и c) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 при 25 ° C. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 и f) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 при 70 ° C. Образцы раствора готовили при комнатной температуре и нагревали до 70 ° С. ФотографияГрафы были взяты под RT и 70 ° C, чтобы наблюдать вододисперсность синтезированных микрогелей. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5
Рисунок 5. Коллекция магнитных микрогелей, загруженных куркумином магнитом. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 диспергировали в водном растворе (слева) и собирали магнитом (справа). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6
Рисунок 6. Экспериментальный аппарат для магнитного триггера С выпуском HFMF. Белым кольцом является медная катушка. Показана центрифугирующая трубка, содержащая магнитные микрогели. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7
Рисунок 7. Контролируемый выброс микрогелей Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 при рН 7,4 с (квадратный символ) и без (знак круга) HFMF. Показан процент высвобождения куркумина магнитных микрогелей (черные, квадраты) и без (черные круги), применяющие HFMF. Увеличение температуры микрогелей Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 с HFMF отображается красным (алмазным). Полосы ошибок представляют собой SD.= "_ Blank"> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

образцы PNIPAAm (%) Fe 3 O 4 (%)
PNIPAAm / Fe 3 O 4 32,37 68,63 (Fe 3 O 4 )
PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 68,56 31,44 (Fe 3 O 4 -NH 2 )

Таблица 1. Относительная композиция (% веса) магнитных наночастиц и PNIPAAm в микрогелях. Относительный состав магнитных микрогелей рассчитывали с использованием TGA-анализа.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Наиболее важные этапы получения находятся в протокольной секции 2 для синтеза магнитных микрогелей термоиндуцированной эмульсией. Как показано на рисунке 2 (изображения TEM), сферическая структура микрогелей может поддерживаться при RT (ниже, чем LCST) из-за физической сшивки, возникающей в результате сильной H-связи между PNIPAAm (амидными группами), PEI (аминогруппы) И Fe 3 O 4 -NH 2 (аминогруппы). На основе сравнения на фиг. 4 магнитные микрогели хорошо диспергированы при низкой (25 ° C) или высокой (70 ° C) температуре. Микрогели также могут быть собраны магнитом и повторно диспергированы в гомогенный раствор, как показано на рисунке 5 .

Традиционная подготовка гидрогелей, синтезированных как гидрофобными, так и гидрофильными мономерами, обычно требует введения сшивающих агентов для получения трехмерныхСети 4 , 5 , 6 , 7 . Однако сшивающие агенты трудно удалить и часто вызывают побочные эффекты в их применении.

PNIPAAm может агрегатироваться или самоорганизовываться в частицах при высокой температуре, а также повторно диспергироваться в гомогенном растворе, когда температура ниже, чем его LCST. Сшивание и химическая модификация часто используются для подготовки гидрогеля для предотвращения коллапса 3D-сетей. Термоиндуцированное сшивание посредством водородной связи применяется здесь для замены химических реакций, что упрощает процесс синтеза и подготовки.

Критически важным для успеха изготовления гидрогелей является процесс полимеризации и без сшивания и инкапсуляция гидрофобных лекарств. Без полимеризации гидрогель может удалять непрореагировавшие инициаторы и мономеры, которые часто приводятК сильной токсичности. Здесь мы успешно выполнили дисперсию и инкапсуляцию неорганических соединений (оксида железа) и гидрофобных молекул (куркумин) с помощью модификации поверхности и введения растворителя.

Благодаря испытаниям на выброс in vitro ( рис. 7 ) мы обнаружили, что магнитные микрогели имели эффективное увеличение как температуры, так и скорости высвобождения во внешнем магнитном поле (HFMF) за счет эффекта магнитного индуктивного нагрева (гипертермия). С вышеупомянутыми свойствами эти магнитные микрогели на основе PNIPAAm являются потенциальными кандидатами на магнитную и термически вызванную целенаправленную доставку опухолевой терапии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была финансово поддержана Министерством науки и технологий Тайваня (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) и частично поддержана Институтом атомных и молекулярных наук, Академия Синика.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(N-isopropylacrylamide) Polyscience, Inc 21458-10 Mw ~40,000
(3-aminopropyl)trimethoxysilane Sigma-Aldrich 440140 > 99 %
Iron(II) chloride tetrahydrate Sigma-Aldrich 44939 99%
Iron(III) chloride Sigma-Aldrich 157740 97%
Curcumin Sigma-Aldrich 00280590
Ammonia hydroxide Fisher Chemical A/3240/PB15 35%
Phosphate Buffered Saline Sigma-Aldrich 806552 pH 7.4, liquid, sterile-filtered
Polyethylenimine (PEI) Sigma-Aldrich P3143 50 % (w/v) in water
High-frequency magnetic field (HFMF) Lantech Industrial Co., Ltd.,Taiwan LT-15-80 15 kV, 50–100 kHz
Ultraviolet-Visible Spectrophotometry Thermo Scientific Co. Genesys
Transmission electron microscopy (TEM) JEM-2100 JEOL
Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) PerkinElmer Spectrum 100
Thermogravimetric analyzer PerkinElmer Pyris 1
Ultrasonic cell disruptor Hielscher Ultrasonics UP50H

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hennink, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliv Rev. 64, 223-236 (2012).
  2. Ma, L., Liu, M., Liu, H., Chen, J., Cui, D. In vitro cytotoxicity and drug release properties of pH- and temperature-sensitive core-shell hydrogel microspheres. Int J Pharm. 385, (1-2), 86-91 (2010).
  3. Dong, Y., et al. Incorporation of Gold Nanoparticles Within Thermoresponsive Microgel Particles: Effect of Crosslinking Density. J Nanosci Nanotechnol. 8, (12), 6283-6289 (2008).
  4. Sun, G., Zhang, X. Z., Chu, C. C. Effect of the molecular weight of polyethylene glycol (PEG) on the properties of chitosan-PEG-poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels. J Mater Sci Mater Med. 19, (8), 2865-2872 (2008).
  5. Sun, Y. -M., Yu, C. -W., Liang, H. -C., Chen, J. -P. Temperature-Sensitive Latex Particles for Immobilization of α-Amylase. Journal of Dispersion Science and Technology. 20, (3), 907-920 (1999).
  6. Chiang, P. R., et al. Thermosensitive hydrogel from oligopeptide-containing amphiphilic block copolymer: effect of peptide functional group on self-assembly and gelation behavior. Langmuir. 29, (51), 15981-15991 (2013).
  7. Okuzaki, H., Kobayashi, K., Yan, H. Thermo-Responsive Nanofiber Mats. Macromolecules. 42, (16), 5916-5918 (2009).
  8. Singh, N. K., Lee, D. S. In situ gelling pH- and temperature-sensitive biodegradable block copolymer hydrogels for drug delivery. J Control Release. 193, 214-227 (2014).
  9. Strehin, I., Nahas, Z., Arora, K., Nguyen, T., Elisseeff, J. A versatile pH sensitive chondroitin sulfate-PEG tissue adhesive and hydrogel. Biomaterials. 31, (10), 2788-2797 (2010).
  10. Gil, E., Hudson, S. Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates. Prog Polym Sci. 29, (12), 1173-1222 (2004).
  11. Hubbell, J. A. Hydrogel systems for barriers and local drug delivery in the control of wound healing. J Control Release. 39, (2-3), 305-313 (1996).
  12. Rapoport, N. Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery. Prog Polym Sci. 32, (8-9), 962-990 (2007).
  13. Heskins, M., Guillet, J. E. Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide). J Polym Sci A Polym Chem. 2, (8-9), 1441-1455 (1968).
  14. Chuang, C. -Y., Don, T. -M., Chiu, W. -Y. Synthesis and properties of chitosan-based thermo- and pH-responsive nanoparticles and application in drug release. J Polym Sci A Polym Chem. 47, (11), 2798-2810 (2009).
  15. Lee, C. -F., Lin, C. -C., Chiu, W. -Y. Thermosensitive and control release behavior of poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) latex particles. J Polym Sci A Polym Chem. 46, (17), 5734-5741 (2008).
  16. Lee, C. -F., Wen, C. -J., Lin, C. -L., Chiu, W. -Y. Morphology and temperature responsiveness-swelling relationship of poly(N-isopropylamide-chitosan) copolymers and their application to drug release. J Polym Sci A Polym Chem. 42, (12), 3029-3037 (2004).
  17. Lin, C. L., Chiu, W. Y., Lee, C. F. Preparation of thermoresponsive core-shell copolymer latex with potential use in drug targeting. J Colloid Interface Sci. 290, (2), 397-405 (2005).
  18. Ma, T., et al. A novel method to in situ synthesis of magnetic poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) nanogels. Colloid Polym Sci. 294, (8), 1251-1257 (2016).
  19. Du, G. H., Liu, Z. L., Xia, X., Chu, Q., Zhang, S. M. Characterization and application of Fe3O4/SiO2 nanocomposites. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 39, (3), 285-291 (2006).
  20. Moroz, P., Jones, S. K., Gray, B. N. Magnetically mediated hyperthermia: current status and future directions. International Journal of Hyperthermia. 18, (4), 267-284 (2002).
  21. Silva-Buzanello, R. A., et al. Validation of an Ultraviolet-visible (UV-Vis) technique for the quantitative determination of curcumin in poly(l-lactic acid) nanoparticles. Food Chemistry. 172, 99-104 (2015).
  22. Kim, H. J., Jang, Y. P. Direct analysis of curcumin in turmeric by DART-MS. Phytochemical Analysis. 20, (5), 372-377 (2009).
  23. Horowitz, H. H., Metzger, G. A new analysis of thermogravimetric traces. Analytical Chemistry. 35, (10), 1464-1468 (1963).
  24. Smith, B. C. Fourier transform infrared spectroscopy. CRC. Boca Raton, FL. (1996).
  25. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Springer. 3-17 (1996).
  26. Xie, Y., Sougrat, R., Nunes, S. P. Synthesis and characterization of polystyrene coated iron oxide nanoparticles and asymmetric assemblies by phase inversion. Journal of Applied Polymer Science. 132, (5), (2015).
Магнитный и термочувствительный Poly (<em&gt; N</em&gt; -изопропилакриламид) на основе микрогелей для контролируемого высвобождения с магнитным пуском
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kuo, C. Y., Liu, T. Y., Wang, K. S., Hardiansyah, A., Lin, Y. T., Chen, H. Y., Chiu, W. Y. Magnetic and Thermal-sensitive Poly(N-isopropylacrylamide)-based Microgels for Magnetically Triggered Controlled Release. J. Vis. Exp. (125), e55648, doi:10.3791/55648 (2017).More

Kuo, C. Y., Liu, T. Y., Wang, K. S., Hardiansyah, A., Lin, Y. T., Chen, H. Y., Chiu, W. Y. Magnetic and Thermal-sensitive Poly(N-isopropylacrylamide)-based Microgels for Magnetically Triggered Controlled Release. J. Vis. Exp. (125), e55648, doi:10.3791/55648 (2017).

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