Summary
Dette manuskript beskriver fremstillingen af magnetiske og termisk følsomme mikrogeler via en temperaturinduceret emulsion uden kemisk reaktion. Disse følsomme mikrogeler blev syntetiseret ved at blande poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm), polyethylenimin (PEI) og Fe304 -NH2 nanopartikler til den potentielle anvendelse i magnetisk og termisk udløst medikamentfrigivelse.
Abstract
Magnetisk og termisk følsom poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm) / Fe304 -NH2 mikrogeler med det indkapslede anti-cancer lægemiddel curcumin (Cur) blev designet og fremstillet til magnetisk udløst frigivelse. PNIPAAm-baserede magnetiske mikrogeler med en sfærisk struktur blev fremstillet via en temperaturinduceret emulsion efterfulgt af fysisk tværbinding ved blanding af PNIPAAm, polyethylenimin (PEI) og Fe304 -NH2 magnetiske nanopartikler. På grund af deres dispergering blev Fe3O4-NH2 nanopartiklerne indlejret inde i polymermatrixen. Amingrupperne eksponeret på Fe3O4-NH2- og PEI-overfladen understøttede den sfæriske struktur ved fysisk tværbinding med amidgrupperne af PNIPAAm. Det hydrofobe anti-cancermedicinsk curcumin kan dispergeres i vand efter indkapsling i mikrogelerne. Mikrogelerne blev karakteriseretVed transmissionselektronmikroskopi (TEM), Fourier transform-infrarødspektroskopi (FT-IR) og UV-Vis spektralanalyse. Desuden blev magnetisk udløst frigivelse undersøgt under et eksternt højfrekvent magnetfelt (HFMF). En signifikant "burst-frigivelse" af curcumin blev observeret efter påføring af HFMF'et til mikrogelerne på grund af den magnetiske induktive opvarmning (hypertermi) effekt. Dette manuskript beskriver den magnetisk udløste kontrollerede frigivelse af Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 indkapslet curcumin, som potentielt kan anvendes til tumorterapi.
Introduction
Hydrogeller er tredimensionelle (3D) polymere netværk, som ikke kan opløses, men kan svulme i vandige opløsninger 1 . De polymere netværk har hydrofile domæner (som kan hydreres for at tilvejebringe hydrogelstrukturen) og en tværbundet konformation (som kan forhindre sammenbrud i netværket). Forskellige fremgangsmåder er blevet undersøgt til fremstilling af hydrogeler, såsom emulsionspolymerisation, anionisk copolymerisation, tværbinding af nabokomplekskæder og invers mikroemulsionspolymerisering 2 . Fysisk og kemisk tværbinding indføres ved hjælp af disse metoder til opnåelse af strukturelt stabile hydrogeler 1 , 3 . Kemisk tværbinding kræver normalt deltagelse af tværbindingsmidlet, som forbinder rygraden eller sidekæden af polymererne. Sammenlignet med kemisk tværbinding er fysisk tværbinding et bedre valg til fabr Icate hydrogeler på grund af undgåelsen af et tværbindingsmiddel, da disse midler ofte er toksiske til praktiske anvendelser 4 . Flere fremgangsmåder er blevet undersøgt for syntetisering af fysisk tværbundne hydrogeler, som tværbinding med ionisk interaktion, krystallisation, binding mellem amfifile blokke eller podning på polymerkæderne og hydrogenbinding 4 , 5 , 6 , 7 .
Stimuli-følsomme polymerer, som kan gennemgå konformationelle, kemiske eller fysiske egenskabsændringer som reaktion på forskellige miljøforhold ( dvs. temperatur, pH, lys, ionstyrke og magnetfelt) har for nylig tiltrukket opmærksomhed som en potentiel platform for systemer med styret frigivelse , Lægemiddellevering og anti-kræftbehandling 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Forskere fokuserer på termisk følsomme polymerer, hvor intrinsisk temperatur let kan styres. PNIPAAm er en termisk følsom polymer, som indeholder både hydrofile amidgrupper og hydrofobe isopropylgrupper og har en lavere kritisk opløsningstemperatur (LCST) 13. Hydrogenbinding mellem amidgrupper og vandmolekyler giver dispergeringen af PNIPAAm i vandig opløsning ved lave temperaturer (under LCST), mens hydrogenbindingen mellem polymerkæder sker ved høje temperaturer (over LCST) og udelukker vand Molekyler, således at polymernettet falder sammen. Med hensyn til denne unikke egenskab er der blevet offentliggjort mange rapporter til fremstilling af temperaturudløst, selvmonterede hydrogeler ved at justere det hydrofobe og hydrofile forhold af polymerkædelængden, såsom copolymerisering, podning eller side- Kæde modifikation for farmaceutikCal platforme 14 , 15 , 16 , 17 .
Magnetiske materialer som jern, kobolt og nikkel har også fået øget opmærksomhed i de sidste årtier for biokemiske applikationer 18 . Blandt disse kandidater er jernoxid den mest udbredte på grund af dets stabilitet og lave toksicitet. Nano-størrelse jernoxider reagerer øjeblikkeligt på magnetfeltet og opfører sig som superparamagnetiske atomer. Imidlertid aggregerer sådanne små partikler let; Dette reducerer overfladeenergien, og derfor mister de deres dispergering. For at forbedre vanddispergeringen anvendes podning eller belægning til beskyttelse af laget almindeligvis ikke kun for at adskille hver enkelt partikel til stabilitet, men også for yderligere at funktionalisere reaktionsstedet 19 .
Her fremstillede vi magnetisk PNIPAAm-baseret mikroGeler til at tjene som lægemiddelbærere til systemer med styret frigivelse. Synteseprocessen er beskrevet og vist i figur 1 . I stedet for kompliceret copolymerisation og kemisk tværbinding blev den hidtil ukendte temperaturinducerede emulsion af PNIPAAm efterfulgt af fysisk tværbinding anvendt til opnåelse af mikrogelerne uden yderligere overfladeaktive midler eller tværbindingsmidler. Dette forenklede syntesen og forhindrede uønsket toksicitet. Inden for en sådan simpel fremstillingsprotokol tilbød de asyntetiserede mikrogeler vanddispersibilitet for både magnetiske jernoxid nanopartikler og det hydrofobe, anti-cancer-lægemiddel, curcumin. FT-IR, TEM og billeddannelse frembragte bevis for dispersion og indkapsling. På grund af den indlejrede Fe304 -NH2 viste de magnetiske mikrogeler potentiale til at tjene som mikroapparater til styret frigivelse under HFMF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntese af overflademodificerede, vanddispergerbare, magnetiske nanopartikler, Fe3O4 og Fe3O4-NH2
- Tilsæt 14,02 g FeCl3, 8,6 g FeCl2 · 4H20 og 250 ml vand til et 500 ml bægerglas.
- Tilslut rotoren og styreenheden for at indstille mekanisk omrøring. Bland opløsningen ved 300 rpm i 30 minutter ved stuetemperatur (RT).
- Tilsæt 25 ml ammoniumhydroxid (33%) i opløsningen ved stuetemperatur og hold omrøring (300 rpm) i 30 minutter. Hold bægeret åbent.
FORSIGTIG: Ammoniumhydroxid kan forårsage næseirritation ved indånding. Dette trin skal udføres inden for en passende gashætte. - For at samle de magnetiske jernoxider (Fe 3 O 4 ), fjern mekanisk omrøring. Sæt en magnet under bægeret for at samle de sorte partikler.
- Efter at Fe 3 O 4 nanopartiklerne er helt udfældet, fjernes supernatanten omhyggeligt. Skud ikke bEager under hældning af supernatanten for at undgå tab af Fe3O4.
- Fjern magnet og tilsæt 50 ml frisk vand til bægeret.
- Ryst bægeret for at sprede Fe 3 O 4 igen . Gentag trin 1.4 til 1.4.2 tre gange for at rense Fe 3 O 4 .
- Efter den sidste vask overføres alle Fe 3 O 4 (10 g) til en 100 ml glasflaske. Tilsæt vand, indtil det totale opløsningsvolumen er 100 ml. Ryst glasflasken kraftigt, indtil der ikke er nogen klumper synlige.
BEMÆRK: Protokollen kan pauses her. Fe3O4 nanopartiklerne fremstilles. - Modificer Fe3O4 med aminosilan (Fe304 -NH2).
- Tag 100 ml opløsningen fra trin 1.5 og overfør til et 1.000 ml bægerglas. Tilsæt 10 ml ammoniakopløsning, 90 ml vand og 900 ml ethanol til bægeret.
- Brug en magnetisk omrørerstang til at blande opløsningen ved300 omdr./min. Tilsæt 500 μL (3-aminopropyl) triethoxysilan (APTES) dråbevis til bægeret ved stuetemperatur og omrør i yderligere 12 timer.
- Rens og opsaml Fe3O4 -NH2 som beskrevet i afsnit 1.4.
- Re-dispergere 1 g Fe3O4 -NH2 (fra trin 1.7) i en 20 ml glasflaske med 20 ml vand.
BEMÆRK: Protokollen kan pauses her. Fe3O4-NH2 nanopartiklerne fremstilles.
2. Syntese af organisk uorganiske hybridmikrogeler ved hjælp af Thermo-induceret emulsion
- Fremstilling af opløsning 1-1 og 1-2 .
- Til opløsning 1-1 tilsættes 0,25 g PNIPAAm, 5 ml Fe304 opløsning (fra trin 1.5) og 0,2 g PEI til en 50 ml glasflaske. Tilsæt 20 ml vand og brug en magnetisk omrøringsstang til omrøring ved 300 omdr./min. I 30 minutter.
- Til opløsning 1-2 gentages trin 2.1.1, men erstatter Fe304 som Fe3O4-NH2-opløsning (fra trin 1.8).
- For at forberede opløsning 2 tilsættes 0,8 g PEI og 18,2 ml vand til en 50 ml glasflaske. Brug et vandbad til opvarmning af opløsningen til 70 ° C i 30 minutter. Forbered en anden flaske af løsning 2 .
- Fremstilling af PNIPAAm / Fe304 .
- Brug en ultralydcelleafbryder til sonikering (50 w), en magnetisk omrøringsstang til omrøring (300 rpm) og et vandbad til opvarmning af opløsning 2 (70 ° C).
- Tilsæt opløsning 1-1 til den opvarmede opløsning 2 dråbevis under anvendelse af en 3 ml sprøjte med en hastighed på 1 ml / min.
- Fortsæt sonikering, omrøring og opvarmning ved 70 ° C i 30 minutter.
- Afkøl opløsningen til RT. Fjern opløsningen fra celleforstyrreren og vandbadet.
- Saml mikrogels ved at placere magneten tæt på glasflasken.
- Fjern supernatanten afNår mikrogellerne er udfældet til bunden af glasflasken.
- Tilsæt en anden 25 ml vand til glasflasken og genfordel mikrogelsne ved vortexing. Denne opløsning er PNIPAAm / Fe304.
BEMÆRK: Protokollen kan pauses her.
- Fremstilling af PNIPAAm / Fe304 -NH2 .
- Brug en ultralydcelleafbryder til sonikering (50 w), en magnetisk omrøringsstang til omrøring (300 rpm) og et vandbad til opvarmning af opløsning 2 (70 ° C).
- Tilsæt opløsning 1-2 til den opvarmede opløsning 2 dråbevis ved anvendelse af en 3 ml sprøjte med en hastighed på 1 ml / min.
- Fortsæt sonikering, omrøring og opvarmning ved 70 ° C i 30 minutter.
- Afkøl opløsningen til RT. Fjern opløsningen fra celleforstyrreren og vandbadet.
- Saml mikrogels ved at placere magneten tæt på glasflasken.
- Når microgelsne fældes, fjernesSupernatanten.
- Tilsæt en anden 25 ml vand til glasflasken og genfordel mikrogelsne ved vortexing. Denne opløsning er PNIPAAm / Fe304 -NH2.
BEMÆRK: Protokollen kan pauses her.
3. Fremstilling af curcumin-ladede mikrogeler (Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2)
BEMÆRK: Disse trin skal udføres i mørke.
- Tilsæt 100 mg Cur og 20 ml ethanol til en 20 ml glasflaske.
- Tag 2 ml Cur-opløsningen og overfør til PNIPAAm / Fe304 -NH2-opløsningen (trin 2.4.7). Omrør ved 400 omdrejninger pr. Minut og RT natten over.
- Efter omrøring ved 400 omdr./min. Og RT natten over, brug magneten til at opsamle PNIPAAm / Fe304 -NH2 som beskrevet i trin 2.4.5 og 2.4.6.
- Tilsæt en anden 25 ml vand til glasflasken og genfordel mikrogelsne ved vortexing. Denne løsning er C Ur-PNIPAAm / Fe304 -NH2.
4. Magnetisk udløselig lægemiddelfrigivelse
- Overfør 10 ml af Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-opløsningen og tilsæt 2 ml vand til et 15 ml centrifugeringsrør.
- Placer centrifugeringsrøret i midten af spolen for påføring af HFMF 20 . Påfør HFMF ved 15 KHz i 20 minutter.
- Træk 0,5 ml HFMF-opløsningen op og erstat med frisk 0,5 ml vand hver 2 min. Interval, mens HFMF påføres.
- Overfør den udtagne opløsning til 1 ml kuvetten.
- Mål absorptionen af den udtagne opløsning ved UV / Vis ved 482 nm 21 .
- Bestem koncentrationen af de frigivne lægemidler ved at anvende forholdet mellem absorption og koncentration fra en standardkalibreringskurve 22 .
BEMÆRK: Standardkalibreringsforholdet er:
S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
Hvor korrelationskoefficienten er 0.9993.
5. Karakterisering af de magnetiske mikrogeler
- Termogravimetrisk analysator (TGA) 23 .
- Mål vægttabet af PNIPAAm / Fe3O4 og PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mod temperatur under luftatmosfære med TGA.
- Opvarm prøven fra RT til 100 ° C og hold den ved denne temperatur i 10 minutter for at eliminere fugtighed. Opvarm prøven fra 100 ° C til 800 ° C med en hastighed på 10 ° C / min. Væg prøverne.
- Plot vægttabet vs. temperaturen af både PNIPAAm / Fe3O4 og PNIPAAm / Fe304 -NH2.
BEMÆRK: Restvægten er enten Fe3O4 eller Fe3O4 -NH2, medens den tabte vægt er PNIPAAm.
- Mål vægttabet af PNIPAAm / Fe3O4 og PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mod temperatur under luftatmosfære med TGA.
- FT-IR"> 24.
- Tør 10 mg prøve med 1 g KBr ved 100 ° C natten over.
- Tryk blandingen fra trin 5.2.1 i pellets som beskrevet i de følgende trin (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
- Slib materialerne fra trin 5.2.1 til et fint pulver ved hjælp af en mørtel og pistle.
- Anbring det samlede apparat (mørtel og pestle) i pelletpressen. Juster apparatet i den nøjagtige midten af pressen.
- Pump pressen, indtil et tryk på 20.000 psi nås. Lad pellet sidde ved det tryk i 5 minutter.
FORSIGTIG: Juster apparatet i den nøjagtige midten af pressen, ellers vil prøven sprede ud af mørtel og forårsage skade ved eksponering. - Fjern dysen indeholdende pellet og stemplet fra pressen.
- Vend det på hovedet og pump stempelet for at tvinge pellet ud.
- Optag FT-IR absorptionsspektrene af prøver af FT-IR ved frekvenser fra 400 til 4000 cm -1 -1 opløsning 24 .
- Morfologiske observationer af TEM 25 .
- Sæt prøveopløsningen på et kobbergitter overtrukket med en kollodion og tør derefter ved stuetemperatur eller i en ovn på 70 ° C natten over.
- Tag TEM billeder.
BEMÆRK: Sterke elektronstråler kan beskadige prøverne. Derfor bør TEM-billeder tages så hurtigt som muligt.
- Vandige dispersionsevner af polymerer og mikrogeler.
- For at forberede PNIPAAm-opløsning tilsættes 7 mg PNIPAAm og 7 ml vand til en 7 ml glasflaske. Brug en hvirvel til at blande opløsningen, indtil der ikke er nogen aggregater.
- For at fremstille PNIPAAm / Fe304 -NH2-opløsning overføres 0,7 ml PNIPAAm / Fe304 -NH2-opløsning (trin 2.4.7) til en 7 ml glasflaske og tilsættes 6,3 ml vand. Brug en hvirvel til at blande opløsningen, indtil der ikke er nogen nedbør.
- For at forberede Cur-PNIPAAM / Fe304 -NH2-opløsning, overfør 0,7 ml Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-opløsning (trin 3.4) til en 7 ml glasflaske og tilsæt 6,3 ml vand. Brug en hvirvel til at blande opløsningen, indtil der ikke er nogen nedbør.
- Tag et billede af løsningerne (trin 5.4.1 - 5.4.3) ved hjælp af et digitalkamera.
- Læg opløsningerne i en ovn og indstil temperaturen til 70 ° C. Vent 2 timer indtil ligevægt.
- Tag et andet billede af løsningerne. For at holde temperaturen, tag billedet inden for 1 min. Undgå at ryste glasflasken, da dette kan sprede udfældningerne igen.
- Til magnetisk opsamling af mikrogeler placeres den stærke magnet tæt på Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2-opløsningen (trin 5.4.3). Vent, indtil microgels er fuldt opsamlet, tag et billede.
- Fjern magnet og vortex mikrogelopløsningen, indtil den er helt dispergeret. Tag et andet billede. </ Li>
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Skematisk for syntese af PNIPAAm / PEI / Fe304 -NH2 mikrogeler er vist i figur 1 . TGA blev anvendt til at estimere den relative sammensætning af den organiske forbindelse mod hele mikrogelen. Da kun den organiske forbindelse PNIPAAm kunne brændes, blev den relative sammensætning af PNIPAAm og Fe304 (eller Fe304 -NH2) bestemt og er vist i tabel 1 . Hvorfor viser PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 mikrogels den bedre dispersitet, men holder lavere indhold af jernoxider? På grund af den stærkere interaktion og bedre dispersion i PNIPAAm / Fe304 -NH2 end i PNIPAAm / Fe304 er Fe304 -NH2 lettere at tværbind PNIPAAm end Fe3O4. Som resultat heraf udbytterne af PNIPAAm / Fe30 TEM-billederne af PNIPAAm-løsninger og magnetiske mikrogeler blev taget af digitalkamera ved stuetemperatur. Som vist i figur 2a er der ingen specifikke strukturer i en ren PNIPAAm-opløsning ved stuetemperatur. Men regelmæssig sfærisk jernoxid partiCles ( figur 2b ) blev iagttaget i både PNIPAAm / Fe3O4 ( figur 2c ) og PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( figur 2d ) mikrogeler, hvilket tilvejebragte beviser for fysisk tværbinding resulterende fra hydrogenbindingen mellem PNIPAAm og PEI . De fleste Fe 3 O 4 nanopartikler kan kun adsorberes på overfladen af den PNIPAAm-baserede matrix og producere aggregeringsklynger ( figur 2c ). Imidlertid kan APTES-modificerede jernoxid nanopartikler, Fe3O4-NH2 være indlejret i partiklerne på grund af den større vanddispersitet og mindre størrelse af de magnetiske nanopartikler ( Figur 3d ) sammenlignet med bare Fe3O4 nanopartikler. Efter læsning med curcumin blev morphologien af Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( FiGure 2e) var meget mere isoleret end den af magnetiske mikrogeler på grund af den hydrofobiske egenskab af Cur. Resultaterne tyder også på, at Cur ikke kun var indkapslet indeni men også absorberet på overfladen af microgels. Mikrogelfremstilling og terapeutisk molekylindkapsling blev identificeret ved FT-IR-analyse som vist i figur 3 . Sammenlignet med Fe3O4 fra litteraturen 19 , 26 blev de nyligt fremkomne absorptionsspidser ved 2927, 1203, 987 og 472 cm -1 tilskrevet vibrationen af CH-strækning, Si-O-Si-strækning, Si-O Strækker sig og Si-O bøjning, hvilket foreslog den vellykkede modifikation af APTES til at dække overfladen af Fe3O4 nanopartiklerne. Fe-O-vibrationstoppe (584 cm- 1 ) blev også observeret i både PNIPAAm / Fe304
Fotografierne af forskellige mikrogeler ved 25 ° C eller 70 ° C er vist i figur 4 , hvor de mælkeagtige og brune opløsninger repræsenterer aggregeringen af henholdsvis PNIPAAm og jernoxider. Sammenlignet med fig. 4a - c var der ingen åbenbart synlige aggregater i PNIPAAm, PNIPAAm / Fe304 -NH2 og Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 opløsninger ved stuetemperatur (25 ° C). PNIPAAm-opløsning og magnetiske mikrogeler blev derefter uigennemsigtige, da opløsningerne blev opvarmet højere end LCST for PNIPAAm som vist i figur 4d - f . Begge magnetiske mikrogeler var mælkeagtige, men dispergerede uden nogen udfældning, og dette indikerede den store dispersitet og stærke, fysiske binding mellem PNIPAAm, Fe304 -NH2 og curcumin. Som vist i fig. 5 kunne de magnetiske mikrogeler let opsamles med magneten og re-dispergeres i den vandige opløsning uden nogen aggregering efter fjernelse af magneten. Resultaterne viste, at disse magnetiske mikrogeler potentielt kunne påføres et vandigt tilførselssystem som det menneskelige legeme fEller kliniske anvendelser.
In vitro frigivelsesadfærd af magnetiske mikrogeler blev overvåget via HFMF. Det opstillede eksperimentelle apparat er vist i figur 6 , hvor centrifugeringsrøret skal være i midten af spolen, der bærer magnetfeltet. Den brune bundfældning, der var placeret i rørcentret, var de magnetiske mikrogeler, der blev adskilt fra opløsningerne under HFMF-behandlinger.
Magnetisk frigivelsesprocent med og uden HFMF blev overvåget og er vist i figur 7 . Sammenlignet med procentdelen af frigivelse uden HFMF inden for identiske perioder (20 min) steg frigivelsesprocenten 2,5 gange under HFMF-behandling, og temperaturen af bulkopløsning kunne hæves til over 50 ° C samtidigt. På grund af indeslutningen af termokänslige polymerer kunne PNIPAAm magnetiske mikrogelerKlemme ud det indkapslede lægemiddel (Cur) som følge af, at PNIPAAm-polymermatrixen bliver hydrofob og derefter konjugeret under høj temperatur (50 ° C). I mellemtiden kunne curcumin frigives til opnåelse af anti-cancer-terapi ved at anvende HFMF. Lokal opvarmning fra magnetisk induktion på HFMF kan ødelægge bindingen mellem Cur og PNIPPAm, selv om den hydrofobe Cur forventes at binde til det hydrofobe PNIPPAm ved høje temperaturer. Endvidere vil volumenændringen (fra hydrofil til hydrofob og lavere til højere temperatur) af de magnetiske mikrogeler også presse ud Cur.
Temperaturforøgelsen af bulkopløsningen blev registreret og vist i figur 7 som den røde kurve med diamantsymbolet. Som vist steg temperaturen først med opvarmningstid og plade efter 14 min. Platået skal være mætningen af den magnetiske induktive opvarmning (hypertermi)I bulkvandet. Den lokaliserede temperatur skal imidlertid være høj nok til at presse ud Cur.
Figur 1. Skematisk synteseproces for PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2-mikrogeler.
Bland PNIPAAm, Fe304 -NH2 og PEI sammen og opvarm blandingen til 70 ° C for at introducere H-binding til mikrogelpræparatet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2. TEM-billeder af PNIPAAm-løsninger og magnetiske mikrogeler. A) PNIPAAm, b) Fe304, c) PNIPAAm / Fe304, d) PNIPAAm / Fe304 -NH2 og e) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. TEM-billederne blev taget for at overvåge dispersion og morfologi af prøverne. TEM-prøverne blev fremstillet ved RT. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3. FT-IR spektra af PNIPAAm, Fe304 -NH2, PNIPAAm / Fe304, PNIPAAm / Fe304 -NH2 og Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. De asyntetiserede mikrogeler blev blandet med KBr og presset ind i pellets. FRIR blev derefter anvendt til at afklare interaktionerne oF PNIPAAm, Fe304 -NH2, PEI og curcumin ved overvågning af absorptionsændringer af funktionsgrupper. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4. Vandige dispersionsevner for mikrogeller under og over LCST: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe304 -NH2 og c) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ved 25 ° C. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe304 -NH2 og f) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ved 70 ° C. Prøveløsningerne blev fremstillet ved stuetemperatur og opvarmet til 70 ° C. BilledetGrafer blev taget under RT og 70 ° C for at observere vanddispersiteten af syntetiserede mikrogeler. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5. Indsamling af curcumin-ladede magnetiske mikrogeler med en magnet. Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 blev dispergeret i vandig opløsning (venstre) og opsamlet med en magnet (højre). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6. Eksperimentel apparat til magnetisk trig Gered Udgivelse med HFMF. Den hvide ring er kobberspolen. Centrifugeringsrøret indeholdende magnetiske mikrogeler er vist. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7. Kontrolleret frigivelse af Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 Microgels ved pH 7,4 med (Square Symbol) og uden (Circle Symbol) HFMF. Curcumin-frigivelsesprocenten af magnetiske mikrogeler med (sort, kvadrater) og uden (sorte cirkler) påføring af HFMF er vist. Forøgelsen i temperaturen af Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mikrogels med HFMF vises i rødt (diamant). Fejlstænger repræsenterer SD.= "_ Blank"> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.
| Prøver | PNIPAAm (%) | Fe3O4 (%) |
| PNIPAAm / Fe304 | 32.37 | 68,63 (Fe304) |
| PNIPAAm / Fe304 -NH2 | 68.56 | 31,44 (Fe304 -NH2) |
Tabel 1. Relativ sammensætning (% vægt) af de magnetiske nanopartikler og PNIPAAm i Microgels. Den relative sammensætning af magnetiske mikrogeler blev beregnet under anvendelse af TGA-analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De vigtigste trin i præparatet er i protokolafsnit 2 til syntese af magnetiske mikrogeler ved termo-induceret emulsion. Som vist i figur 2 (TEM-billeder) kunne den sfæriske struktur af mikrogeler opretholdes ved RT (lavere end LCST) på grund af den fysiske tværbinding, der er resultatet af den stærke H-binding mellem PNIPAAm (amidgrupper), PEI (aminogrupper) Og Fe304 -NH2 (aminogrupper). Baseret på sammenligningen i figur 4 er de magnetiske mikrogeler godt dispergeret ved lav temperatur (25 ° C) eller høj (70 ° C). Mikrogelerne kan også opsamles med en magnet og re-dispergeres i homogen opløsning som vist i figur 5 .
Traditionel fremstilling af hydrogeler syntetiseret med både hydrofobe og hydrofile monomerer kræver normalt indføring af tværbindingsmidler for at opnå 3DNetværk 4 , 5 , 6 , 7 . Tværbindingsmidler er imidlertid vanskelige at fjerne og giver ofte bivirkninger ved deres anvendelse.
PNIPAAm kan aggregeres eller selvmontere i partikler under høj temperatur og omdisperere også til homogen opløsning, når temperaturen er lavere end dens LCST. Tværbinding og kemisk modifikation anvendes ofte til hydrogelbehandling for at forhindre sammenbrud af 3D-netværk. Termoinduceret tværbinding via hydrogenbinding anvendes her for at erstatte kemiske reaktioner, hvorved syntese- og fremstillingsprocessen forenkles.
Kritisk for succesen med hydrogelfabrikation er polymerisations- og tværbindingsfri proces og indkapslingen af hydrofobe stoffer. Uden polymerisering kunne hydrogelen fjerne de uomsatte initiatorer og monomerer, som ofte førerTil stærk toksicitet. Her har vi med succes udført dispersionen og indkapslingen af uorganiske forbindelser (jernoxid) og hydrofobe molekyler (curcumin) via overflademodifikation og opløsningsmiddelindføring.
Gennem in vitro- frigivelsestest ( figur 7 ) fandt vi, at magnetmikrogelerne havde en effektiv forøgelse af både temperatur og frigivelsesprocent i det eksterne magnetfelt (HFMF) ved den magnetiske induktive opvarmning (hyperthermia) effekt. Med de ovennævnte egenskaber er disse PNIPAAm-baserede magnetiske mikrogeler potentielle kandidater til magnetisk og termisk udløst målrettet levering af tumorterapi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at videregive.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansielt støttet af Taiwans ministerium for videnskab og teknologi (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) og delvist støttet af Institut for Atomiske og Molekylære Fag, Academia Sinica.
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 |
References
- Hennink, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliv Rev. 64, 223-236 (2012).
- 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).
- Dong, Y., et al. Incorporation of Gold Nanoparticles Within Thermoresponsive Microgel Particles: Effect of Crosslinking Density. J Nanosci Nanotechnol. 8 (12), 6283-6289 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Okuzaki, H., Kobayashi, K., Yan, H. Thermo-Responsive Nanofiber Mats. Macromolecules. 42 (16), 5916-5918 (2009).
- 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).
- 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).
- Gil, E., Hudson, S. Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates. Prog Polym Sci. 29 (12), 1173-1222 (2004).
- 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).
- Rapoport, N. Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery. Prog Polym Sci. 32 (8-9), 962-990 (2007).
- Heskins, M., Guillet, J. E. Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide). J Polym Sci A Polym Chem. 2 (8-9), 1441-1455 (1968).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, H. J., Jang, Y. P. Direct analysis of curcumin in turmeric by DART-MS. Phytochemical Analysis. 20 (5), 372-377 (2009).
- Horowitz, H. H., Metzger, G. A new analysis of thermogravimetric traces. Analytical Chemistry. 35 (10), 1464-1468 (1963).
- Smith, B. C. Fourier transform infrared spectroscopy. , CRC. Boca Raton, FL. (1996).
- Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. , Springer. 3-17 (1996).
- 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).
