Magnetisches und thermisch empfindliches Poly (<em> N.</em> -isopropylacrylamid) -basierte Mikrogele für die magnetisch getriggerte kontrollierte Freisetzung
Summary
Dieses Manuskript beschreibt die Herstellung von magnetischen und wärmeempfindlichen Mikrogelen über eine temperaturinduzierte Emulsion ohne chemische Reaktion. Diese empfindlichen Mikrogele wurden durch Mischen von Poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm), Polyethylenimin (PEI) und Fe 3 O 4 -NH 2 Nanopartikeln für die potentielle Verwendung in magnetisch und thermisch getriggerter Arzneimittelfreisetzung synthetisiert.
Abstract
Magnetisch und thermisch empfindliche Poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 -Mikrogele mit dem eingekapselten Anti-Krebs-Medikament Curcumin (Cur) wurden für die magnetisch getriggerte Freisetzung entworfen und hergestellt. PNIPAAm-basierte magnetische Mikrogele mit einer sphärischen Struktur wurden über eine temperaturinduzierte Emulsion hergestellt, gefolgt von einer physikalischen Vernetzung durch Mischen von PNIPAAm, Polyethylenimin (PEI) und Fe 3 O 4 -NH 2 magnetischen Nanopartikeln. Aufgrund ihrer Dispergierbarkeit wurden die Fe 3 O 4 -NH 2 -Nanopartikel in die Polymermatrix eingebettet. Die auf der Fe 3 O 4 -NH 2 und der PEI-Oberfläche exponierten Amin-Gruppen unterstützten die sphärische Struktur durch physikalische Vernetzung mit den Amidgruppen des PNIPAAm. Das hydrophobe Anti-Krebs-Medikament Curcumin kann in Wasser nach der Einkapselung in die Mikrogele dispergiert werden. Die Mikrogele wurden charakterisiertDurch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und UV-Vis-Spektralanalyse. Weiterhin wurde die magnetisch getriggerte Freisetzung unter einem externen Hochfrequenzmagnetfeld (HFMF) untersucht. Eine signifikante "Burst-Freisetzung" von Curcumin wurde nach dem Aufbringen des HFMF auf die Mikrogele aufgrund des magnetischen induktiven Erhitzungselements (Hyperthermie) beobachtet. Dieses Manuskript beschreibt die magnetisch getriggerte kontrollierte Freisetzung von Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 verkapseltem Curcumin, die möglicherweise für die Tumortherapie angewendet werden kann.
Introduction
Hydrogele sind dreidimensional (3D) polymere Netzwerke, die sich nicht auflösen können, sondern in wässrigen Lösungen aufquellen können 1 . Die polymeren Netzwerke haben hydrophile Domänen (die hydratisiert werden können, um die Hydrogelstruktur zu liefern) und eine vernetzte Konformation (die den Zusammenbruch des Netzwerks verhindern kann). Zur Herstellung von Hydrogelen wurden verschiedene Verfahren untersucht, wie Emulsionspolymerisation, anionische Copolymerisation, Vernetzung von benachbarten Polymerketten und inverse Mikroemulsionspolymerisation 2 . Die physikalische und chemische Vernetzung wird durch diese Methoden eingeführt, um strukturell stabile Hydrogele 1 , 3 zu erhalten . Die chemische Vernetzung erfordert normalerweise die Beteiligung des Vernetzungsmittels, das das Grundgerüst oder die Seitenkette der Polymere verbindet. Im Vergleich zur chemischen Vernetzung ist die physikalische Vernetzung eine bessere Wahl für fabr Ige Hydrogele aufgrund der Vermeidung eines Vernetzungsmittels, da diese Mittel für praktische Anwendungen oft toxisch sind 4 . Es wurden mehrere Ansätze zur Synthese von physikalisch vernetzten Hydrogelen untersucht, wie die Vernetzung mit ionischer Wechselwirkung, Kristallisation, Bindung zwischen amphiphilen Blöcken oder Pfropfen auf die Polymerketten und Wasserstoffbindung 4 , 5 , 6 , 7 .
Stimuli-empfindliche Polymere, die in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ( dh Temperatur, pH-Wert, Licht, Ionenstärke und Magnetfeld) zu konformationellen, chemischen oder physikalischen Eigenschaftsveränderungen führen können, haben in letzter Zeit als potentielle Plattform für Systeme mit kontrollierter Freisetzung Aufmerksamkeit erregt , Arzneimittelabgabe und Anti-Krebs-Therapie 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Die Forscher konzentrieren sich auf thermoempfindliche Polymere, bei denen die intrinsische Temperatur leicht kontrollierbar ist. PNIPAAm ist ein wärmeempfindliches Polymer, das sowohl hydrophile Amidgruppen als auch hydrophobe Isopropylgruppen enthält und eine niedrigere kritische Lösungstemperatur aufweist (LCST) 13. Die Wasserstoffbindung zwischen Amidgruppen und Wassermolekülen liefert die Dispersität von PNIPAAm in wässriger Lösung bei niedrigen Temperaturen (unterhalb des LCST), während die Wasserstoffbrücken zwischen Polymerketten bei hohen Temperaturen (oberhalb des LCST) auftreten und Wasser ausschließt Moleküle, so dass das Polymernetzwerk zusammenbricht.Bei dieser einzigartigen Eigenschaft wurden viele Berichte zur Herstellung von temperaturgesteuerten, selbstorganisierten Hydrogelen durch Einstellen des hydrophoben und hydrophilen Verhältnisses der Polymerkettenlänge, wie Copolymerisation, Pfropfung oder Seiten- Kettenmodifikation für PharmazeutikaPlattformen 14 , 15 , 16 , 17 .
Magnetische Materialien wie Eisen, Kobalt und Nickel haben in den vergangenen Jahrzehnten verstärkte Aufmerksamkeit für biochemische Anwendungen erhalten 18 . Unter diesen Kandidaten ist Eisenoxid am häufigsten wegen seiner Stabilität und geringen Toxizität verwendet. Nano-große Eisenoxide reagieren sofort auf das Magnetfeld und verhalten sich wie superparamagnetische Atome. Solche kleinen Teilchen aggregieren jedoch leicht; Das reduziert die Oberflächenenergie und verliert daher ihre Dispersität. Um die Wasserdispersität zu verbessern, werden Pfropfen oder Beschichten zum Schutz der Schicht üblicherweise nicht nur dazu verwendet, jedes einzelne Teilchen auf Stabilität zu trennen, sondern auch die Reaktionsstelle 19 weiter zu funktionalisieren.
Hier haben wir magnetisches PNIPAAm-basiertes Mikro hergestelltGele, um als Arzneimittelträger für Systeme mit kontrollierter Freisetzung zu dienen. Der Syntheseprozess ist in Fig. 1 beschrieben und dargestellt. Anstelle einer komplizierten Copolymerisation und chemischen Vernetzung wurde die neue temperaturinduzierte Emulsion von PNIPAAm mit anschließender physikalischer Vernetzung zur Gewinnung der Mikrogele ohne zusätzliches Tensid oder Vernetzungsmittel eingesetzt. Dies vereinfachte die Synthese und verhinderte eine unerwünschte Toxizität. Innerhalb eines solchen einfachen Präparationsprotokolls boten die as-synthetisierten Mikrogele sowohl für die magnetischen Eisenoxid-Nanopartikel als auch für die hydrophobe Anti-Krebs-Arzneimittel, Curcumin, Wasserdispersion an. FT-IR, TEM und Imaging lieferten Beweise für Dispersion und Verkapselung. Aufgrund des eingebetteten Fe 3 O 4 -NH 2 zeigten die magnetischen Mikrogete das Potential, als Mikrogeräte für die kontrollierte Freisetzung unter HFMF zu dienen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wichtigsten Schritte der Präparation sind im Protokollabschnitt 2 für die Synthese der magnetischen Mikrogele durch thermoinduzierte Emulsion. Wie in Fig. 2 (TEM-Bilder) gezeigt, konnte die sphärische Struktur von Mikrogelen aufgrund der physikalischen Vernetzung aufgrund der starken H-Bindung zwischen PNIPAAm (Amidgruppen), PEI (Aminogruppen) auf RT (niedriger als das LCST) gehalten werden, Und Fe & sub3; O & sub4; -NH & sub2; (Amingruppen). Basierend auf dem Vergleich i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde finanziell vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie von Taiwan (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) unterstützt und teilweise unterstützt vom Institut für Atom- und Molekulare Wissenschaften, Academia Sinica
Materials
| Poly(N-isopropylacrylamide) | Polyscience, Inc | 21458-10 | Mw~40000 |
| (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 |
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