Summary
Detta manuskript beskriver framställningen av magnetiska och termiska känsliga mikrogeler via en temperaturinducerad emulsion utan kemisk reaktion. Dessa känsliga mikrogeler syntetiserades genom att blanda poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm), polyetylenimin (PEI) och Fe304 -NH2 nanopartiklar för den potentiella användningen vid magnetiskt och termiskt utlösande läkemedelsfrisättning.
Abstract
Magnetiskt och termiskt känsligt poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm) / Fe304 -NH2 mikrogeler med det inkapslade läkemedelscurcuminet (Cur) för cancercancer konstruerades och tillverkades för magnetiskt utlösad frisättning. PNIPAAm-baserade magnetiska mikrogeler med en sfärisk struktur framställdes via en temperaturinducerad emulsion följt med fysikalisk tvärbindning genom att blanda PNIPAAm, polyetylenimin (PEI) och Fe304 -NH2 magnetiska nanopartiklar. På grund av deras dispergering inbäddes Fe3O4-NH2 nanopartiklarna inuti polymermatrisen. Amingrupperna exponerade på Fe3O4-NH2- och PEI-ytan stödde den sfäriska strukturen genom fysiskt tvärbindning med amidgrupperna i PNIPAAm. Det hydrofoba antikropps läkemedelscurcuminet kan dispergeras i vatten efter inkapsling i mikrogelerna. Mikrogelerna karakteriseradesGenom transmissionselektronmikroskopi (TEM), Fourier-transform-infrarödspektroskopi (FT-IR) och UV-Vis spektralanalys. Vidare studerades magnetiskt utlöst frisättning under ett yttre högfrekvent magnetfält (HFMF). En signifikant "burst release" av curcumin observerades efter applicering av HFMF till mikrogelerna på grund av den magnetiska induktiva uppvärmnings (hypertermi) effekten. Detta manuskript beskriver det magnetiskt utlösande kontrollerade frisättandet av Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 inkapslat curcumin, som kan användas potentiellt för tumörterapi.
Introduction
Hydrogeler är tredimensionella (3D) polymera nätverk som inte kan lösas men kan svälla i vattenhaltiga lösningar 1 . De polymera näten har hydrofila domäner (som kan hydreras för att ge hydrogelstrukturen), och en tvärbunden konformation (som kan förhindra nätets sammanbrott). Olika metoder har undersökts för framställning av hydrogeler, såsom emulsionspolymerisation, anjonisk sampolymerisation, tvärbindning av närliggande polymerkedjor och invers mikroemulsionspolymerisation 2 . Fysikalisk och kemisk tvärbindning införes genom dessa metoder för att erhålla strukturellt stabila hydrogeler 1,3. Kemisk tvärbindning kräver normalt deltagandet av tvärbindningsmedlet, vilket förbinder ryggraden eller sidokedjan hos polymererna. Jämfört med kemisk tvärbindning är fysikalisk tvärbindning ett bättre val till fabr Isogena hydrogeler på grund av undvikandet av ett tvärbindningsmedel, eftersom dessa medel ofta är giftiga för praktiska tillämpningar 4 . Flera metoder har undersökts för att syntetisera fysiskt tvärbundna hydrogeler, såsom tvärbindning med jonisk interaktion, kristallisation, bindning mellan amfifila block eller ympning på polymerkedjorna och vätebindning 4 , 5 , 6 , 7 .
Stimuli-känsliga polymerer, som kan genomgå konformationella, kemiska eller fysiska egenskapsförändringar som svar på olika miljöförhållanden ( dvs. temperatur, pH, ljus, jonstyrka och magnetfält) har nyligen uppmärksammats som en potentiell plattform för system med styrd frisättning , Läkemedelsleverans och anti-cancerbehandling 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Forskare fokuserar på termokänsliga polymerer där intrinsisk temperatur lätt kan kontrolleras. PNIPAAm är en termiskt känslig polymer som innehåller både hydrofila amidgrupper och hydrofoba isopropylgrupper och har en lägre kritisk lösningstemperatur (LCST) 13. Vätebindning mellan amidgrupper och vattenmolekyler ger dispergeringen av PNIPAAm i vattenlösning vid låga temperaturer (under LCST), medan vätebindningen mellan polymerkedjor sker vid höga temperaturer (över LCST) och utesluter vatten Molekyler så att polymernätet kollapserar. Beträffande denna unika egenskap har många rapporter publicerats för att framställa temperaturutlösande, självmonterade hydrogeler genom att justera det hydrofoba och hydrofila förhållandet hos polymerkedjelängden, såsom sampolymerisation, ympning eller sidoväxling, Kedjemodifikation för läkemedelCal plattformar 14 , 15 , 16 , 17 .
Magnetiska material som järn, kobolt och nickel har också fått ökad uppmärksamhet under de senaste decennierna för biokemiska tillämpningar 18 . Bland dessa kandidater är järnoxid den mest använda på grund av dess stabilitet och låg toxicitet. Nano-storlek järnoxider svarar direkt till magnetfältet och beter sig som superparamagnetiska atomer. Sådana små partiklar kan emellertid enkelt aggregeras; Detta minskar ytenergin, och därför förlorar de sin dispersitet. För att förbättra vattendispergeringen appliceras ofta ympning eller beläggning för att skydda skiktet, inte bara för att separera varje enskild partikel för stabilitet men också för att ytterligare funktionalisera reaktionsstället 19 .
Här tillverkade vi magnetisk PNIPAAm-baserad mikroGeler för att fungera som läkemedelsbärare för system med kontrollerad frisättning. Syntesprocessen beskrivs och visas i figur 1 . Istället för komplicerad sampolymerisation och kemisk tvärbindning användes den nya temperaturinducerade emulsionen av PNIPAAm följt av fysikalisk tvärbindning för att erhålla mikrogelerna utan ytterligare ytaktivt medel eller tvärbindningsmedel. Detta förenklade syntesen och förhindrade oönskade toxiciteter. Inom ett sådant enkelt förberedelseprotokoll erbjöd de as-syntetiserade mikrogelerna vattendispergering för både magnetiska järnoxidnanopartiklarna och det hydrofoba antikroppläkemedlet, curcumin. FT-IR, TEM och bildbehandling gav bevis för dispersion och inkapsling. På grund av den inbäddade Fe304 -NH2 visade magnetiska mikrogeler potential för att fungera som mikroanordningar för kontrollerat frisättning under HFMF.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntes av ytmodifierade, vattendispergerbara, magnetiska nanopartiklar, Fe3O4 och Fe3O4-NH2
- Tillsätt 14,02 g FeCl3, 8,6 g FeCl2 · 4H20 och 250 ml vatten till en 500 ml bägare.
- Anslut rotorn och regulatorn för att ställa in mekanikens omröring. Blanda lösningen vid 300 rpm i 30 minuter vid rumstemperatur (RT).
- Tillsätt 25 ml ammoniumhydroxid (33%) i lösningen vid RT och fortsätt omröring (300 rpm) i 30 min. Håll bägaren öppen.
FÖRSIKTIGT: Ammoniumhydroxid kan orsaka irritation av näsan vid inandning. Detta steg måste utföras i en lämplig avloppsugn. - För att samla magnetiska järnoxiderna (Fe 3 O 4 ), avlägsna mekanisk omrörning. Sätt en magnet under bägaren för att samla de svarta partiklarna.
- Efter att Fe 3 O 4 nanopartiklarna helt utfällts, avlägsna försiktigt supernatanten. Skaka inte bEaker medan man häller supernatanten för att undvika förlust av Fe3O4.
- Ta bort magneten och tillsätt 50 ml färskvatten till bägaren.
- Skaka bägaren för att återfördela Fe 3 O 4 . Upprepa steg 1.4 till 1.4.2 tre gånger för att rena Fe 3 O 4 .
- Efter sista tvätten överför du alla Fe 3 O 4 (10 g) till en 100 ml glasflaska. Tillsätt vatten tills den totala lösningsvolymen är 100 ml. Skaka glasflaskan kraftigt tills inga klumpar är synliga.
OBS: Protokollet kan pausas här. Fe3O4 nanopartiklarna framställs. - Ändra Fe3O4 med aminosilan (Fe3O4 -NH2).
- Ta 100 ml-lösningen från steg 1.5 och överför till en 1000 ml bägare. Tillsätt 10 ml ammoniaklösning, 90 ml vatten och 900 ml etanol till bägaren.
- Använd en magnetisk omrörningsstång för att blanda lösningen vid300 varv / min. Tillsätt 500 μL (3-aminopropyl) trietoxisilan (APTES) droppvis till bägaren vid RT och omrör i ytterligare 12 timmar.
- Rening och samling av Fe3O4 -NH2 enligt beskrivningen i avsnitt 1.4.
- Re-dispergera 1 g Fe3O4 -NH2 (från steg 1.7) i en 20 ml glasflaska med 20 ml vatten.
OBS: Protokollet kan pausas här. Fe3O4-NH2 nanopartiklarna framställes.
2. Syntes av organiska oorganiska hybridmikrogeler genom termoinducerad emulsion
- Framställning av lösning 1-1 och 1-2 .
- För lösning 1-1 tillsättes 0,25 g PNIPAAm, 5 ml Fe3O4-lösning (från steg 1.5) och 0,2 g PEI till en 50 ml glasflaska. Tillsätt 20 ml vatten och använd en magnetisk omrörningsstång för att röra vid 300 varv per minut under 30 minuter.
- För lösning 1-2, upprepa steg 2.1.1, men ersätt Fe3O4 som Fe3O4-NH2-lösning (från steg 1.8).
- För att förbereda lösning 2 , tillsätt 0,8 g PEI och 18,2 ml vatten till en 50 ml glasflaska. Använd ett vattenbad för att värma upp lösningen till 70 ° C i 30 minuter. Förbered en andra flaska lösning 2 .
- Framställning av PNIPAAm / Fe304 .
- Använd en ultraljudscellförstörare för att sonikera (50 w), en magnetisk omröringsstång för att röra (300 rpm) och ett vattenbad för att värma lösning 2 (70 ° C).
- Tillsätt lösning 1-1 till den uppvärmda lösningen 2 droppvis med en 3 ml spruta med en hastighet av 1 ml / min.
- Fortsätt sonikering, omröring och upphettning vid 70 ° C under 30 minuter.
- Kyl lösningen till RT. Ta bort lösningen från cellförstöraren och vattenbadet.
- Samla microgelsna genom att placera magneten nära glasflaskan.
- Ta bort supernatantenNär mikrogelerna har utfällt till botten av glasflaskan.
- Tillsätt ytterligare 25 ml vatten till glasflaskan och omdisperera mikrogelerna genom vortexering. Denna lösning är PNIPAAm / Fe304.
OBS: Protokollet kan pausas här.
- Framställning av PNIPAAm / Fe304 -NH2 .
- Använd en ultraljudscellförstörare för att sonikera (50 w), en magnetisk omröringsstång för att röra (300 rpm) och ett vattenbad för att värma lösning 2 (70 ° C).
- Tillsätt lösning 1-2 till den uppvärmda lösningen 2 droppvis med en 3 ml spruta med en hastighet av 1 ml / min.
- Fortsätt sonikering, omröring och upphettning vid 70 ° C under 30 minuter.
- Kyl lösningen till RT. Ta bort lösningen från cellförstöraren och vattenbadet.
- Samla microgelsna genom att placera magneten nära glasflaskan.
- När microgelsna fäller ut, ta bortSupernatanten.
- Tillsätt ytterligare 25 ml vatten till glasflaskan och omdisperera mikrogelerna genom vortexering. Denna lösning är PNIPAAm / Fe304 -NH2.
OBS: Protokollet kan pausas här.
3. Framställning av curcumin-laddade mikrogeler (Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2)
OBS! Dessa steg måste utföras i mörkret.
- Tillsätt 100 mg Cur och 20 ml etanol till en 20 ml glasflaska.
- Ta 2 ml av Cur-lösningen och överför till PNIPAAm / Fe304 -NH2-lösningen (steg 2.4.7). Rör vid 400 rpm och RT över natten.
- Efter omrörning vid 400 rpm och RT över natten använd magneten för att samla PNIPAAm / Fe304 -NH2 som beskrivs i steg 2.4.5 och 2.4.6.
- Tillsätt ytterligare 25 ml vatten till glasflaskan och omdisperera mikrogelerna genom vortexering. Denna lösning är C Ur-PNIPAAm / Fe304 -NH2.
4. Magnetiskt utlösande läkemedelsfrisättning
- Överför 10 ml av Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-lösningen och tillsätt 2 ml vatten till ett 15 ml centrifugeringsrör.
- Placera centrifugeringsröret i mitten av spolen för att applicera HFMF 20 . Applicera HFMF vid 15 KHz i 20 min.
- Dra ut 0,5 ml av HFMF-lösningen och byt ut med färskt 0,5 ml vatten vid var 2: e minutsintervall under användning av HFMF.
- Överför den uttagna lösningen till 1 ml kyvetten.
- Mät absorptionen av den uttagna lösningen med UV / Vis vid 482 nm 21 .
- Bestäm koncentrationen av de frisatta läkemedlen genom att använda förhållandet mellan absorption och koncentration från en standardkalibreringskurva 22 .
OBS: Standardkalibreringsrelationen är:
S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
Där korrelationskoefficienten är 0.9993.
5. Karakterisering av magnetiska mikrogeler
- Termogravimetrisk analysator (TGA) 23 .
- Mät viktminskningen av PNIPAAm / Fe3O4 och PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mot temperatur under luftatmosfär av TGA.
- Värm provet från RT till 100 ° C och håll den vid denna temperatur i 10 minuter för att eliminera fuktighet. Värm provet från 100 ° C till 800 ° C med en hastighet av 10 ° C / min. Väg proverna.
- Plotta viktminskningen mot temperaturen för både PNIPAAm / Fe3O4 och PNIPAAm / Fe304 -NH2.
OBS: Återstoden är antingen Fe3O4 eller Fe3O4 -NH2, medan den förlorade vikten är PNIPAAm.
- Mät viktminskningen av PNIPAAm / Fe3O4 och PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mot temperatur under luftatmosfär av TGA.
- FT-IR"> 24.
- Torka 10 mg prov med 1 g KBr vid 100 ° C över natten.
- Tryck blandningen från steg 5.2.1 i pellets enligt beskrivningen i följande steg (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
- Mala materialet från steg 5.2.1 till ett fint pulver genom att använda en mortel och pestle.
- Placera den monterade apparaten (mortel och pestle) i pelletspressen. Rikta in apparaten i exakt mitt på pressen.
- Pumpa trycket tills ett tryck på 20 000 psi nås. Låt pelleten sitta vid det trycket i 5 minuter.
VARNING: Justera apparaten i exakt mitt på pressen, annars kommer provet att sprida ut ur morteln och orsaka skador vid exponering. - Ta bort munstycket som innehåller pelleten och kolven från pressen.
- Vänd den upp och ner och pump kolven för att tvinga ut pelleten.
- Notera FT-IR-absorptionsspektra av prover med FT-IR vid frekvenser från 400 till 4000 cm-1 -1 upplösning 24 .
- Morfologi observationer av TEM 25 .
- Lös provlösningen på ett koppargaller belagt med en kollodion och torka sedan vid RT eller i en 70 ° C ugn över natten.
- Ta TEM-bilder.
OBS! Starka elektronstrålar kan skada proverna. Därför bör TEM-bilder tas så snabbt som möjligt.
- Vattenhaltiga dispersionsegenskaper hos polymerer och mikrogeler.
- För att förbereda PNIPAAm-lösningen, tillsätt 7 mg PNIPAAm och 7 ml vatten till en 7 ml glasflaska. Använd en virvel för att blanda lösningen tills det inte finns några aggregat.
- För att bereda PNIPAAm / Fe304 -NH2-lösning, överför 0,7 ml PNIPAAm / Fe304 -NH2-lösning (steg 2.4.7) till en 7 ml glasflaska och tillsätt 6,3 ml vatten. Använd en virvel för att blanda lösningen tills det inte finns någon nederbörd.
- Förberedande Cur-PNIPAAM / Fe304 -NH2-lösning, överför 0,7 ml Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-lösning (steg 3.4) till en 7 ml glasflaska och tillsätt 6,3 ml vatten. Använd en virvel för att blanda lösningen tills det inte finns någon nederbörd.
- Ta en bild av lösningarna (steg 5.4.1 - 5.4.3) med hjälp av en digitalkamera.
- Placera lösningarna i en ugn och sätt temperaturen till 70 ° C. Vänta 2 timmar tills jämvikt.
- Ta en annan bild av lösningarna. För att bibehålla temperaturen, ta bilden inom 1 min. Undvik att skaka glasflaskan, eftersom detta kan sprida utfällningarna igen.
- För magnetisk uppsamling av mikrogeler placerar du den starka magneten nära Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2-lösningen (steg 5.4.3). Vänta tills mikrovågorna är fullt upptagna, ta sedan en bild.
- Ta bort magneten och virvel mikrogellösningen tills den är fullständigt dispergerad. Ta en annan bild. </ Li>
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Schematisk för syntes av PNIPAAm / PEI / Fe304 -NH2 mikrogeler visas i Figur 1 . TGA applicerades för att uppskatta den relativa sammansättningen av den organiska föreningen mot hela mikrogelen. Eftersom endast den organiska föreningen PNIPAAm kunde brännas bestämdes den relativa sammansättningen av PNIPAAm och Fe3O4 (eller Fe304 -NH2) och visas i Tabell 1 . Varför visar PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 mikrogeler bättre dispersion men håller lägre innehåll av järnoxider? På grund av den starkare interaktionen och bättre dispersion i PNIPAAm / Fe304 -NH2 än den i PNIPAAm / Fe304 är Fe3O4 -NH2 lättare att tvärbinda PNIPAAm än Fe3O4. Som resultat resulterade utbytena av PNIPAAm / Fe30 TEM-bilderna av PNIPAAm-lösningar och magnetiska mikrogeler togs av digitalkameran vid rumstemperatur. Såsom visas i figur 2a finns det inga specifika strukturer i en ren PNIPAAm-lösning vid rumstemperatur. Men regelbunden sfärisk järnoxidpartiKlister ( Figur 2b ) observerades i både PNIPAAm / Fe304 ( Figur 2c ) och PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( Figur 2d ) mikrogeler, vilket gav bevis för fysisk tvärbindning som resulterade från vätebindningen mellan PNIPAAm och PEI . De flesta Fe 3 O 4 nanopartiklarna kan endast adsorberas på ytan av den PNIPAAm-baserade matrisen och producerade aggregeringskluster ( Figur 2c ). Emellertid kan APTES-modifierade järnoxid nanopartiklar, Fe3O4 -NH2 inbäddas i partiklarna på grund av den större vattendispersiteten och mindre storlek av magnetiska nanopartiklarna ( Figur 3d ) jämfört med nakna Fe3O4 nanopartiklar. Efter laddning med curcumin, morfologin av Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( FiGure 2e) var mycket isoleradare än den för magnetiska mikrogeler på grund av den hydrofoba egenskapen hos Cur. Resultaten tyder också på att Cur inte bara inkapslades inuti utan också absorberades på mikrogelns yta. Mikrogelpreparat och terapeutisk molekylinkapsling identifierades genom FT-IR-analys såsom visas i figur 3 . Jämfört med Fe3O4 från litteraturen 19 , 26 tillskrivs de nyupptänkta absorptions-topparna vid 2927, 1203, 987 och 472 cm-1 vibrationen av CH-sträckning, Si-O-Si sträckning, Si-O Sträckning respektive Si-O-bockning, vilket föreslog den framgångsrika modifieringen av APTES för att täcka ytan av Fe3O4 nanopartiklarna. Fe-O-vibrationstoppar (584 cm-1) observerades också i både PNIPAAm / Fe304
Bilderna av olika mikrogeler vid 25 ° C eller 70 ° C visas i figur 4 , där de mjölkiga och bruna lösningarna representerar aggregeringen av PNIPAAm respektive järnoxider. Jämfört med figurerna 4a - c , det fanns inga uppenbart synliga aggregat i PNIPAAm, PNIPAAm / Fe304 -NH2 och Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 lösningar vid rumstemperatur (25 ° C). PNIPAAm-lösning och magnetiska mikrogeler blev sedan ogenomskinliga när lösningarna upphettades högre än LCST för PNIPAAm som visas i Figur 4d- f . Båda magnetiska mikrogelerna var mjölkiga men dispergerade utan någon utfällning, och detta indikerade den stora dispersiteten och starka fysikaliska bindningen mellan PNIPAAm, Fe304 -NH2 och curcumin. Såsom visas i figur 5 kan de magnetiska mikrogelerna enkelt samlas upp med magneten och åter dispergeras i vattenlösningen utan någon aggregering efter avlägsnande av magneten. Resultaten indikerade att dessa magnetiska mikrogeler potentiellt kunde appliceras på ett vattenhaltigt administreringssystem som människokroppen fEller kliniska tillämpningar.
In vitro- frisättningsbeteenden hos magnetiska mikrogeler övervakades via HFMF. Den experimentella apparaten som ställs upp visas i figur 6 , där centrifugeringsröret borde vara i mitten av spolen som bär magnetfältet. Den bruna utfällningen belägen i rörcentret var magnetiska mikrogeler, vilka separerades från lösningarna under HFMF-behandlingar.
Magnetisk frisättningshastighet med och utan HFMF övervakades och visas i Figur 7 . Jämfört med procentsatsen av frisättning utan HFMF inom identiska perioder (20 min) ökade frisättningsgraden 2,5 gånger under HFMF-behandling och temperaturen av bulklösningen kunde höjas till över 50 ° C samtidigt. På grund av inneslutningen av termokänsliga polymerer kunde PNIPAAm, magnetiska mikrogelerPressa ut det inkapslade läkemedlet (Cur), vilket resulterar från att PNIPAAm-polymermatrisen blir hydrofob och sedan konjugerad under hög temperatur (50 ° C). Under tiden kan curcumin frisättas för att åstadkomma anti-cancer-terapi genom att använda HFMF. Lokal uppvärmning från magnetisk induktion på HFMF kan förstöra bindningen mellan Cur och PNIPPAm, även om den hydrofoba Cur förväntas binda till den hydrofoba PNIPPAm vid höga temperaturer. Vidare skulle volymförändringen (från hydrofil till hydrofob och lägre till högre temperatur) hos magnetiska mikrogeler också pressa ut Cur.
Temperaturökningen av bulklösningen registrerades och visas i figur 7 som den röda kurvan med diamantsymbolen. Som visat ökade temperaturen först med upphettningstid och platå efter 14 min. Plateauen bör vara mättnad av magnetisk induktiv uppvärmning (hypertermi)I bulkvattnet. Den lokaliserade temperaturen bör emellertid vara tillräckligt hög för att pressa ut Cur.
Figur 1. Schematisk syntesprocess för PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2-mikrogeler.
Blanda PNIPAAm, Fe304 -NH2 och PEI tillsammans och värm upp blandningen till 70 ° C för att introducera H-bindning för mikrogelpreparatet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2. TEM-bilder av PNIPAAm-lösningar och magnetiska mikrogeler. A ) PNIPAAm, b ) Fe3O4, c) PNIPAAm / Fe304, d) PNIPAAm / Fe304 -NH2 och e) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. TEM-bilderna togs för att övervaka provets dispersitet och morfologi. TEM-proverna framställdes vid RT. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3. FT-IR-spektra av PNIPAAm, Fe304 -NH2, PNIPAAm / Fe304, PNIPAAm / Fe304 -NH2 och Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. De syntetiserade mikrogelerna blandades med KBr och pressades in i pellets. FRIR applicerades sedan för att klargöra interaktionerna oF PNIPAAm, Fe304 -NH2, PEI och curcumin genom att övervaka absorptionsförändringarna av funktionsgrupper. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4. Vattendispersionsförmåga hos mikrogeler under och ovanför LCST: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe304 -NH2 och c) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 vid 25 ° C. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe304 -NH2 och f) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 vid 70 ° C. Provlösningarna framställdes vid RT och värmdes upp till 70 ° C. BildenGrafer togs under RT och 70 ° C för att observera vattendispersiteten hos syntetiserade mikrogeler. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5. Samling av curcumin-laddade magnetiska mikrogeler med en magnet. Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 dispergerades i vattenhaltig lösning (vänster) och uppsamlades med en magnet (höger). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6. Experimentell apparat för magnetisk-trig Gered Release med HFMF. Den vita ringen är kopparspolen. Centrifugeringsröret innehållande magnetiska mikrogeler visas. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7. Kontrollerad frisättning av Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2-mikrogeler vid pH 7,4 med (kvadratiskt symbol) och utan (cirkelsymbol) HFMF. Curcuminfrigöringsprocenten av magnetiska mikrogeler med (svart, kvadrater) och utan (svarta, cirklar) applicering av HFMF visas. Ökningstemperaturen för Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mikrogel med HFMF visas i rött (diamant). Felfält representerar SD.= "_ Blank"> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| prover | PNIPAAm (%) | Fe3O4 (%) |
| PNIPAAm / Fe304 | 32,37 | 68,63 (Fe304) |
| PNIPAAm / Fe304 -NH2 | 68,56 | 31,44 (Fe304 -NH2) |
Tabell 1. Relativ sammansättning (% vikt) av de magnetiska nanopartiklarna och PNIPAAm i Microgels. Den relativa sammansättningen av magnetiska mikrogeler beräknades med användning av TGA-analys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De viktigaste stegen i preparatet är i protokoll 2, för syntesen av magnetiska mikrogeler genom termoinducerad emulsion. Såsom visas i figur 2 (TEM-bilder) kan den sfäriska strukturen hos mikrogeler bibehållas vid RT (lägre än LCST) på grund av den fysiska tvärbindningen som härrör från den starka H-bindningen mellan PNIPAAm (amidgrupper), PEI (amingrupper) Och Fe304 -NH2 (amingrupper). Baserat på jämförelsen i Figur 4 är de magnetiska mikrogelerna väl dispergerade vid låg temperatur (25 ° C) eller hög (70 ° C). Mikrogelerna kan också uppsamlas med en magnet och åter dispergeras till homogen lösning såsom visas i figur 5 .
Traditionell framställning av hydrogeler syntetiserade med både hydrofoba och hydrofila monomerer kräver normalt införandet av tvärbindningsmedel för att erhålla 3DNätverk 4 , 5 , 6 , 7 . Tvärbindningsmedel är emellertid svåra att avlägsna och orsakar ofta biverkningar vid appliceringen.
PNIPAAm kan aggregera eller självmontera i partiklar under hög temperatur och återfördela även till homogen lösning när temperaturen är lägre än dess LCST. Tvärbindning och kemisk modifiering används ofta för hydrogelberedning för att förhindra kollaps av 3D-nätverk. Termoinducerad tvärbindning via vätebindning appliceras här för att ersätta kemiska reaktioner, vilket förenklar syntes- och framställningsförfarandet.
Kritiskt för framgången med hydrogeltillverkning är polymerisations- och tvärbindningsfri process och inkapslingen av hydrofoba läkemedel. Utan polymerisation kan hydrogelen avlägsna de oreagerade initiatorer och monomerer som ofta lederTill stark toxicitet. Här uppnådde vi framgångsrikt dispersionen och inkapslingen av oorganiska föreningar (järnoxid) och hydrofoba molekyler (curcumin) via ytmodifiering och lösningsmedelsinledning.
Genom in vitro- frisättningstest ( Figur 7 ) fann vi att magnetmagnetema hade en effektiv ökning av både temperatur och frisättningsprocent i det yttre magnetfältet (HFMF) med hjälp av magnetisk induktiv upphettning (hypertermi) effekt. Med de ovan nämnda egenskaperna är dessa PNIPAAm-baserade magnetiska mikrogeler potentiella kandidater för magnetiskt och termiskt utlöst, målinriktad tillförsel av tumörterapi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete finansierades ekonomiskt av Taiwans ministerium för vetenskap och teknik (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2), och stöddes delvis av Institute of Atomic and Molecular Sciences, 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).
