Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Magnetisk og Termisk-sensitiv Poly ( Published: July 4, 2017 doi: 10.3791/55648
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 4, 4, 1,4,5
1Institute of Polymer Science and Engineering, National Taiwan University, 2Department of Materials Engineering, Ming Chi University of Technology, 3Department of Metallurgy and Materials Engineering, Bandung Institute of Technology and Science, 4Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, 5Department of Materials Science and Engineering, National Taiwan University

Summary

Dette manuskriptet beskriver fremstillingen av magnetiske og termisk følsomme mikrogeler via en temperaturinducert emulsjon uten kjemisk reaksjon. Disse sensitive mikroberene ble syntetisert ved å blande poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm), polyetylenimin (PEI) og Fe304 -NH2 nanopartikler for den potensielle bruken i magnetisk og termisk utløst medikamentfrigivelse.

Abstract

Magnetisk og termisk sensitiv poly ( N- isopropylacrylamid) (PNIPAAm) / Fe304 -NH2 mikrogeler med det innkapslede anti-kreftmedikamentkurcumin (Cur) ble designet og fremstilt for magnetisk utløst frigjøring. PNIPAAm-baserte magnetiske mikrogeler med en sfærisk struktur ble produsert via en temperaturinducert emulsjon fulgt med fysisk tverrbinding ved å blande PNIPAAm, polyetylenimin (PEI) og Fe304 -NH2 magnetiske nanopartikler. På grunn av deres dispergering ble Fe3O4-NH2 nanopartiklene innebygd inne i polymermatriksen. Amingruppene eksponert på Fe3O4-NH2- og PEI-overflaten støttet den sfæriske struktur ved fysisk tverrbinding med amidgruppene i PNIPAAm. Det hydrofobe anti-kreftmedikamentkurcumin kan dispergeres i vann etter innkapsling i mikrogelene. Mikrogelene ble karakterisertVed transmisjonselektronmikroskopi (TEM), Fourier transform-infrarødspektroskopi (FT-IR) og UV-Vis spektralanalyse. Videre ble magnetisk utløst frigjøring undersøkt under et eksternt høyfrekvent magnetfelt (HFMF). En signifikant "burst-frigjøring" av curcumin ble observert etter å ha påført HFMF til mikroglene på grunn av den magnetiske induktive oppvarmings (hypertermi) effekten. Dette manuskriptet beskriver den magnetisk utløste kontrollerte frigjøringen av Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 innkapslet curcumin, som potensielt kan brukes for svulsterapi.

Introduction

Hydrogels er tredimensjonalt (3D) polymere nettverk som ikke kan oppløses, men kan svulme i vandige løsninger 1 . De polymere nettverkene har hydrofile domener (som kan hydriseres for å gi hydrogelstrukturen) og en kryssbundet konformasjon (som kan forhindre sammenbrudd av nettverket). Forskjellige metoder har blitt undersøkt for fremstilling av hydrogeler, så som emulsjonspolymerisasjon, anionisk kopolymerisasjon, kryssbinding av nabokomponentkjeder og invers mikroemulsjonspolymerisering 2 . Fysisk og kjemisk tverrbinding innføres ved hjelp av disse metodene for å oppnå strukturelt stabile hydrogeler 1 , 3 . Kjemisk tverrbinding krever normalt deling av tverrbindingsmiddelet, som forbinder ryggraden eller sidekjeden av polymerene. Sammenlignet med kjemisk tverrbinding er fysisk tverrbinding et bedre valg for fabrikken Icate hydrogeler på grunn av unngåelse av et tverrbindingsmiddel, siden disse midlene ofte er toksiske for praktiske anvendelser 4 . Flere tilnærminger er blitt undersøkt for syntetisering av fysisk tverrbundne hydrogeler, som kryssbinding med ionisk interaksjon, krystallisering, binding mellom amfifile blokker eller podning på polymerkjedene og hydrogenbinding 4 , 5 , 6 , 7 .

Stimuli-sensitive polymerer, som kan gjennomgå konformasjonelle, kjemiske eller fysiske egenskapsendringer som følge av forskjellige miljøforhold ( dvs. temperatur, pH, lys, ionstyrke og magnetfelt) har nylig tiltrukket oppmerksomhet som en potensiell plattform for systemer med kontrollert frigivelse , Legemiddellevering og anti-kreftbehandling 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Forskere fokuserer på termosensitive polymerer der det er lett å kontrollere egen temperatur. PNIPAAm er en termisk sensitiv polymer, som inneholder både hydrofile amidgrupper og hydrofobe isopropylgrupper, og har en lavere kritisk oppløsningstemperatur (LCST) 13. Hydrogenbinding mellom amidgrupper og vannmolekyler gir dispergering av PNIPAAm i vandig løsning ved lave temperaturer (under LCST), mens hydrogenbindingen mellom polymerkjeder oppstår ved høye temperaturer (over LCST) og utelukker vann Molekyler slik at polymernettverket kollapser. Vedrørende denne unike egenskapen har mange rapporter blitt publisert for å fremstille temperaturutløste, selvmonterte hydrogeler ved å justere det hydrofobe og hydrofile forholdet mellom polymerkjedelengden, slik som kopolymerisering, podning eller side- Kjede modifikasjon for farmasiCal plattformer 14 , 15 , 16 , 17 .

Magnetiske materialer som jern, kobolt og nikkel har også fått økt oppmerksomhet de siste tiårene for biokjemiske applikasjoner 18 . Blant disse kandidatene er jernoksid den mest brukte på grunn av stabilitet og lav toksisitet. Nano-størrelse jernoksyder reagerer umiddelbart til magnetfeltet og oppfører seg som superparamagnetiske atomer. Imidlertid kan slike små partikler enkelt aggregere; Dette reduserer overflatenergien, og derfor mister de spredningen. For å forbedre vanndispersjonen, blir podning eller belegg for å beskytte laget vanligvis påført ikke bare for å skille hver enkelt partikkel for stabilitet, men også for å viderefunksjonere reaksjonsstedet 19 .

Her produserte vi magnetisk PNIPAAm-basert mikroGeler for å tjene som medikamentbærere for systemer med kontrollert frigivelse. Synteseprosessen er beskrevet og vist i figur 1 . I stedet for komplisert kopolymerisering og kjemisk tverrbinding ble den nye temperaturinducerte emulsjonen av PNIPAAm etterfulgt av fysisk tverrbinding anvendt for å oppnå mikroglene uten ytterligere overflateaktive eller tverrbindende midler. Dette forenklet syntesen og forhindret uønsket toksisitet. Innenfor en så enkel preparatprotokoll tilbød de asyntetiserte mikrogels vanndispersjon for både magnetiske jernoksid nanopartikler og det hydrofobiske, anti-kreft-legemidlet, curcumin. FT-IR, TEM og bildebehandling ga bevis for dispersjon og innkapsling. På grunn av den innebygde Fe3O4-NH2 viste magnetmikrogelene potensial for å betjene som mikroenheter for kontrollert frigivelse under HFMF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese av overflademodifiserte, vanndispergerbare, magnetiske nanopartikler, Fe304 og Fe3O4-NH2

  1. Tilsett 14,02 g FeCl3, 8,6 g FeCl2 · 4H20 og 250 ml vann til et 500 ml beger.
  2. Koble rotoren og kontrolleren for å sette opp mekanisk omrøring. Bland oppløsningen ved 300 rpm i 30 minutter ved romtemperatur (RT).
  3. Tilsett 25 ml ammoniumhydroksyd (33%) i oppløsningen ved romtemperatur og hold omrøring (300 rpm) i 30 minutter. Hold begeret åpent.
    FORSIKTIG: Ammoniumhydroksid kan forårsake irritasjon av nesen ved innånding. Dette trinnet må utføres inne i en passende avtrekksdeksel.
  4. For å samle magnetiske jernoksyder (Fe 3 O 4 ), fjern mekanisk omrøring. Sett en magnet under begeret for å samle de svarte partiklene.
    1. Etter at Fe 3 O 4 nanopartikler er helt utfelt, fjern supernatanten forsiktig. Ikke rist bEaker mens man hælder supernatanten for å unngå tap av Fe3O4.
    2. Fjern magneten og tilsett 50 ml ferskvann til begeret.
    3. Rist begeren for å spre Fe 3 O 4 på nytt . Gjenta trinn 1.4 til 1.4.2 tre ganger for å rense Fe 3 O 4 .
  5. Etter siste vask, overfør alle Fe 3 O 4 (10 g) til en 100 ml glassflaske. Tilsett vann til totaloppløsningsvolumet er 100 ml. Rist glassflasken kraftig til ingen klumper er synlige.
    MERK: Protokollen kan bli midlertidig stoppet her. Fe 3 O 4 nanopartikler er tilberedt.
  6. Modifiser Fe3O4 med aminosilan (Fe304 -NH2).
    1. Ta 100 ml løsningen fra trinn 1.5 og overfør til et 1000 ml beger. Tilsett 10 ml ammoniakkoppløsning, 90 ml vann og 900 ml etanol til bikeren.
    2. Bruk en magnetisk omrøringsstang for å blande oppløsningen på300 rpm. Tilsett 500 μL (3-aminopropyl) trietoksysilan (APTES) dråpevis til begeret ved romtemperatur og omrør i ytterligere 12 timer.
  7. Rens og saml Fe 3 O 4 -NH 2 som beskrevet i avsnitt 1.4.
  8. Re-dispergere 1 g Fe3O4 -NH2 (fra trinn 1.7) i en 20 ml glassflaske med 20 ml vann.
    MERK: Protokollen kan bli midlertidig stoppet her. Fe3O4-NH2 nanopartikler er fremstilt.

2. Syntese av organisk uorganiske hybridmikrogeler med termoinducert emulsjon

  1. Fremstilling av løsning 1-1 og 1-2 .
    1. For løsning 1-1, tilsatt 0,25 g PNIPAAm, 5 ml Fe304-løsning (fra trinn 1.5) og 0,2 g PEI til en 50 ml glassflaske. Tilsett 20 ml vann og bruk en magnetisk omrøringsstang for å røre ved 300 rpm i 30 minutter.
    2. For løsning 1-2, gjenta trinn 2.1.1, men erstatt Fe3O4 som Fe3O4 -NH2-oppløsning (fra trinn 1.8).
  2. For å klargjøre løsning 2 , tilsett 0,8 g PEI og 18,2 ml vann til en 50 ml glassflaske. Bruk et vannbad for å oppvarme oppløsningen til 70 ° C i 30 minutter. Klargjør en ny flaske løsning 2 .
  3. Fremstilling av PNIPAAm / Fe304 .
    1. Bruk en ultralydcelleforstyrrelse til sonikering (50 w), en magnetisk omrøringsstang for å røre (300 rpm) og et vannbad for å varme opp Løsning 2 (70 ° C).
    2. Tilsett løsning 1-1 til oppvarmet løsning 2 dråpevis med en 3 ml sprøyte med en hastighet på 1 ml / min.
    3. Fortsett sonikering, omrøring og oppvarming ved 70 ° C i 30 minutter.
    4. Avkjøl oppløsningen til RT. Fjern løsningen fra celleforstyrrelsen og vannbadet.
    5. Samle microgels ved å plassere magneten nær glassflasken.
    6. Fjern supernatanten avNår mikrogelene har gått ned til bunnen av glassflasken.
    7. Tilsett ytterligere 25 ml vann til glassflasken og spred mikrobølgene igjen ved vortexing. Denne løsningen er PNIPAAm / Fe304.
      MERK: Protokollen kan bli midlertidig stoppet her.
  4. Fremstilling av PNIPAAm / Fe304 -NH2 .
    1. Bruk en ultralydcelleforstyrrelse til sonikering (50 w), en magnetisk omrøringsstang for å røre (300 rpm) og et vannbad for å varme opp Løsning 2 (70 ° C).
    2. Tilsett løsning 1-2 til oppvarmet løsning 2 dråpevis med en 3 ml sprøyte med en hastighet på 1 ml / min.
    3. Fortsett sonikering, omrøring og oppvarming ved 70 ° C i 30 minutter.
    4. Avkjøl oppløsningen til RT. Fjern løsningen fra celleforstyrrelsen og vannbadet.
    5. Samle microgels ved å plassere magneten nær glassflasken.
    6. Når mikrogelene faller ut, fjerner duSupernatanten.
    7. Tilsett ytterligere 25 ml vann til glassflasken og spred mikrobølgene igjen ved vortexing. Denne løsningen er PNIPAAm / Fe304 -NH2.
      MERK: Protokollen kan bli midlertidig stoppet her.

3. Fremstilling av curcumin-ladede mikrogeler (Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2)

MERK: Disse trinnene må utføres i mørket.

  1. Tilsett 100 mg Cur og 20 ml etanol til en 20 ml glassflaske.
  2. Ta 2 ml av Cur-løsningen og overfør til PNIPAAm / Fe304 -NH2-oppløsningen (trinn 2.4.7). Rør ved 400 rpm og RT over natten.
  3. Etter omrøring ved 400 rpm og RT over natten, bruk magneten til å samle PNIPAAm / Fe304 -NH2 som beskrevet i trinnene 2.4.5 og 2.4.6.
  4. Tilsett ytterligere 25 ml vann til glassflasken og spred mikrobølgene igjen ved vortexing. Denne løsningen er C Ur-PNIPAAm / Fe304 -NH2.

4. Magnetisk utløst stoffutgivelse

  1. Overfør 10 ml av Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-oppløsningen og tilsett 2 ml vann til et 15 ml centrifugeringsrør.
  2. Plasser sentrifugeringsrøret i midten av spolen for å påføre HFMF 20 . Påfør HFMF ved 15 KHz i 20 min.
  3. Trekk 0,5 ml HFMF-oppløsningen og erstatt med fersk 0,5 ml vann hvert 2 min. Intervall mens du bruker HFMF.
  4. Overfør den tilbaketrukne løsningen til 1 ml kuvetten.
  5. Mål absorpsjonen av den tilbaketrukne løsningen med UV / Vis ved 482 nm 21 .
  6. Bestem konsentrasjonen av de frigjorte stoffene ved å bruke forholdet mellom absorpsjon og konsentrasjon fra en standardkalibreringskurve 22 .
    MERK: Standard kalibreringsforholdet er:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Hvor korrelasjonskoeffisienten er 0.9993.

5. Karakterisering av magnetiske mikrogeler

  1. Termogravimetrisk analysator (TGA) 23 .
    1. Mål vektreduksjonen av PNIPAAm / Fe3O4 og PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 vs. temperatur under luftatmosfære ved TGA.
      1. Varm prøven fra RT til 100 ° C og hold ved denne temperaturen i 10 minutter for å eliminere fuktighet. Varm prøven fra 100 ° C til 800 ° C med en hastighet på 10 ° C / min. Veie prøvene.
      2. Plot vekttapet vs. temperaturen på både PNIPAAm / Fe3O4 og PNIPAAm / Fe304 -NH2.
        MERK: Restvekten er enten Fe3O4 eller Fe3O4 -NH2, mens den tapte vekten er PNIPAAm.
  2. FT-IR-"> 24.
    1. Tørk 10 mg prøve med 1 g KBr ved 100 ° C over natten.
    2. Trykk blandingen fra trinn 5.2.1 i pellets som beskrevet i følgende trinn (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. Slip materialene fra trinn 5.2.1 til et fint pulver ved å bruke en mørtel og pestle.
      2. Plasser montert apparat (mørtel og pestle) i pelletpressen. Juster apparatet i den eksakte midten av pressen.
      3. Pump pressen til et trykk på 20.000 psi er nådd. La pellet sitte ved det trykket i 5 min.
        FORSIKTIG: Juster apparatet i den eksakte midten av pressen, ellers vil prøven spre seg ut av mørtel og forårsake skade fra eksponering.
      4. Fjern dysen som inneholder pellet og stempelet fra pressen.
      5. Vri den opp ned og pump stempelet for å tvinge pellet ut.
    3. Ta opp FT-IR-absorpsjonsspektrene av prøver av FT-IR ved frekvenser som strekker seg fra 400 til 4000 cm -1 -1 oppløsning 24 .
  3. Morfologi observasjoner av TEM 25 .
    1. Slipp prøveoppløsningen på et kobbergitter belagt med en kollodjon og tørk deretter ved RT eller i en 70 ° C ovn over natten.
    2. Ta TEM-bilder.
      MERK: Sterke elektronstråler kan skade prøvene. Derfor bør TEM-bilder tas så raskt som mulig.
  4. Vandige dispersjonsegenskaper av polymerer og mikrogeler.
    1. For å forberede PNIPAAm-oppløsning, tilsett 7 mg PNIPAAm og 7 ml vann til en 7 ml glassflaske. Bruk en vortex for å blande løsningen til det ikke er noen aggregater.
    2. For å fremstille PNIPAAm / Fe304 -NH2-oppløsning, overfør 0,7 ml PNIPAAm / Fe304 -NH2-løsning (trinn 2.4.7) til en 7 ml glassflaske og tilsett 6,3 ml vann. Bruk en virvel for å blande løsningen til det ikke er nedbør.
    3. Å forberede Cur-PNIPAAM / Fe304 -NH2-oppløsning, overfør 0,7 ml Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2-oppløsning (trinn 3.4) til en 7 ml glassflaske og tilsett 6,3 ml vann. Bruk en virvel for å blande løsningen til det ikke er nedbør.
    4. Ta et bilde av løsningene (trinn 5.4.1 - 5.4.3) ved hjelp av et digitalkamera.
    5. Sett opp løsningene i en ovn og sett temperaturen til 70 ° C. Vent 2 timer til likevekt.
    6. Ta et nytt bilde av løsningene. For å opprettholde temperaturen, ta bildet innen 1 min. Unngå å riste glassflasken, da dette kan spre opp nedbørene igjen.
  5. For magnetisk oppsamling av mikrogeler, plasser den sterke magneten nær Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2-løsningen (trinn 5.4.3). Vent til microgels er fullt oppsamlet, ta et bilde.
    1. Fjern magneten og vortex mikrogeloppløsningen til den er fullstendig spredt. Ta et nytt bilde. </ Li>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den skjematiske for syntese av PNIPAAm / PEI / Fe304 -NH2 mikrogeler er vist i figur 1 . TGA ble anvendt for å estimere den relative sammensetningen av den organiske forbindelsen mot hele mikrogelen. Siden bare den organiske forbindelsen PNIPAAm kunne brennes, ble den relative sammensetningen av PNIPAAm og Fe304 (eller Fe304 -NH2) bestemt og er vist i tabell 1 . Hvorfor viser PNIPAAm / Fe3O4 -NH 2 mikrogels bedre dispersjon, men holder lavere innhold av jernoksyder? På grunn av sterkere interaksjon og bedre spredning i PNIPAAm / Fe304 -NH2 enn i PNIPAAm / Fe304, er Fe304 -NH2 lettere å krysse forbindelsen PNIPAAm enn Fe3O4. Som resultat ble utbyttene av PNIPAAm / Fe30

TEM-bildene av PNIPAAm-løsninger og magnetiske mikrogeler ble tatt av digitalkamera ved romtemperatur. Som vist i figur 2a er det ingen spesifikke strukturer i en ren PNIPAAm-oppløsning ved romtemperatur. Men vanlig sfærisk jernoksid partiCles ( figur 2b ) ble observert i både microliter PNIPAAm / Fe3O4 ( figur 2c ) og PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( figur 2d ), som ga bevis for fysisk tverrbinding som resulterte fra hydrogenbindingen mellom PNIPAAm og PEI . De fleste Fe 3 O 4 nanopartikler kan bare adsorberes på overflaten av PNIPAAm-baserte matrisen og produserte aggregeringsklynger ( figur 2c ). Imidlertid kan APTES-modifiserte jernoksid nanopartikler, Fe3O4-NH2 være innkapslet i partiklene på grunn av større vanndispersjon og mindre størrelse av magnetiske nanopartikler ( Figur 3d ), sammenlignet med bare Fe3O4 nanopartikler. Etter belastning med curcumin ble morfologien til Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ( FiGure 2e) var mye mer isolert enn det for magnetiske mikrogeler på grunn av den hydrofobiske egenskapen til Cur. Resultatene tyder også på at Cur ikke bare var innkapslet inne, men også absorbert på overflaten av mikrogelene.

Mikrogelpreparat og terapeutisk molekylinnkapsling ble identifisert ved FT-IR-analyse som vist i figur 3 . Sammenlignet med Fe3O4 fra litteraturen 19 , 26 ble de nyoppdagede absorpsjonstoppene ved 2927, 1203, 987 og 472 cm -1 tilskrevet vibrasjonen av CH-strekk, Si-O-Si-strekk, Si-O Strekker seg og Si-O-bøyning, som foreslo den vellykkede modifisering av APTES for å dekke overflaten av Fe3O4 nanopartikler. Fe-O-vibrasjonstoppene (584 cm- 1 ) ble også observert i både PNIPAAm / Fe304 -1, referert til henholdsvis aromatisk C = C bøyning og OH-strekk, vist i FT-IR spektra av Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2, som Indikerte vellykket innkapsling av curcumin.

Bildene av forskjellige mikrogeler ved 25 ° C eller 70 ° C er vist i figur 4 , hvor de melkete og brune løsningene representerer aggregeringen av henholdsvis PNIPAAm og jernoksyder. Sammenlignet med figurene 4a - figur 4d - f . Begge magnetiske mikrogeler var melkehvide, men dispergert uten utfelling, og dette indikerte den store dispersjon og sterk, fysisk binding mellom PNIPAAm, Fe304 -NH2 og curcumin. Som vist i figur 5 , kunne magnetiske mikrogelene lett oppsamles med magneten og re-dispergeres i den vandige løsning uten noen aggregering etter fjerning av magneten. Resultatene indikerte at disse magnetiske mikrogeler potensielt kunne påføres et vandig tilførselssystem som menneskekroppen fEller kliniske anvendelser.

In vitro frigjøringsegenskaper av magnetiske mikrogeler ble overvåket via HFMF. Oppsettet for eksperimentelle apparater er vist i figur 6 , hvor sentrifugeringsrøret skal være i midten av spolen som bærer magnetfeltet. Den brune utfelling som befant seg i rørsenteret var magnetiske mikrogeler, som ble separert fra løsningene under HFMF-behandlinger.

Magnetisk frigivelsesprosent med og uten HFMF ble overvåket og er vist i figur 7 . Sammenlignet med prosentandelen frigjøring uten HFMF innen identiske perioder (20 min) økte utløsningsprosent 2,5 ganger under HFMF-behandling, og temperaturen på bulkoppløsning kunne økes til over 50 ° C samtidig. På grunn av inneslutningen av termosensitive polymerer kunne PNIPAAm magnetiske mikrogelerKlemme ut det innkapslede legemidlet (Cur), som resulterer fra at PNIPAAm-polymermatrisen blir hydrofob og deretter konjugert under høy temperatur (50 ° C). I mellomtiden kunne curcumin frigjøres for å oppnå anti-kreft terapi ved å anvende HFMF. Lokal oppvarming fra magnetisk induksjon på HFMF kan ødelegge bindingen mellom Cur og PNIPPAm, selv om den hydrofobiske Cur forventes å binde til den hydrofobe PNIPPAm ved høye temperaturer. Videre vil volumendringen (fra hydrofil til hydrofob og lavere til høyere temperatur) av magnetmikroglene også presse ut Cur.

Temperaturøkningen av bulkoppløsningen ble registrert og vist i figur 7 som den røde kurven med diamant symbolet. Som vist økte temperaturen først med oppvarmingstid og plateaued etter 14 min. Platået bør være metning av magnetisk induktiv oppvarming (hypertermi)I bulkvannet. Den lokale temperaturen bør imidlertid være høy nok til å klemme ut Cur.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk synteseprosess for PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2-mikrogeler.
Bland PNIPAAm, Fe304 -NH2 og PEI sammen og oppvarm blandingen til 70 ° C for å introdusere H-binding for mikrogelpreparatet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2
Figur 2. TEM-bilder av PNIPAAm-løsninger og magnetiske mikrogeler. A) PNIPAAm, b ) Fe304, c) PNIPAAm / Fe304, d) PNIPAAm / Fe304 -NH2 og e) Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. TEM-bildene ble tatt for å overvåke dispersjonen og morfologien til prøvene. TEM-prøvene ble fremstilt ved RT. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3
Figur 3. FT-IR spektra av PNIPAAm, Fe304 -NH2, PNIPAAm / Fe304, PNIPAAm / Fe304 -NH2 og Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2. De syntetiserte mikrogelene ble blandet med KBr og presset inn i pellets. FRIR ble deretter brukt for å avklare samspillet oF PNIPAAm, Fe304 -NH2, PEI og curcumin ved å overvåke absorpsjonsendringene i funksjonsgruppene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4
Figur 4. Vandig-dispersjon Evner av mikrogeler 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. Prøveløsningene ble fremstilt ved romtemperatur og oppvarmet til 70 ° C. BildetGrafer ble tatt under RT og 70 ° C for å observere vanndispersjonen av syntetiserte mikrogeler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5
Figur 5. Samling av curcumin-ladede magnetiske mikrogeler med en magnet. Cur-PNIPAAm / Fe304 -NH2 ble dispergert i vandig oppløsning (venstre) og oppsamlet med en magnet (høyre). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 6
Figur 6. Eksperimentell apparat for magnetisk-trig Gered Release med HFMF. Den hvite ringen er kobberspolen. Sentrifugeringsrøret som inneholder magnetmikrogenene er vist. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 7
Figur 7. Kontrollert frigjøring av Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 Microgels ved pH 7,4 med (Square Symbol) og uten (Circle Symbol) HFMF. Curcumin utgivelsesprosent av magnetiske mikrogeler med (svart, firkanter) og uten (svart, sirkler) påføring av HFMF er vist. Økningen i temperaturen av Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 mikrogels med HFMF vises i rødt (diamant). Feilstenger representerer SD.= "_ Blank"> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Prøver PNIPAAm (%) Fe 3 O 4 (%)
PNIPAAm / Fe304 32.37 68,63 (Fe304)
PNIPAAm / Fe304 -NH2 68,56 31,44 (Fe304 -NH2)

Tabell 1. Relativ sammensetning (% vekt) av de magnetiske nanopartikler og PNIPAAm i mikrogelene. Den relative sammensetningen av magnetmikrogenene ble beregnet ved bruk av TGA-analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De viktigste trinnene i preparatet er i protokoll 2, for syntese av magnetiske mikrogeler ved termo-indusert emulsjon. Som vist i figur 2 (TEM-bilder), kunne den sfæriske strukturen av mikrogeler opprettholdes ved RT (lavere enn LCST) på grunn av den fysiske tverrbindingen som følge av den sterke H-binding mellom PNIPAAm (amidgrupper), PEI (aminogrupper) Og Fe304 -NH2 (aminogrupper). Basert på sammenligningen i figur 4 er de magnetiske mikrogeler godt dispergerte ved lav temperatur (25 ° C) eller høy (70 ° C). Mikrogelene kan også oppsamles med en magnet og re-dispergeres til homogen løsning som vist i figur 5 .

Tradisjonell fremstilling av hydrogeler syntetisert med både hydrofobe og hydrofile monomerer krever normalt innføring av tverrbindingsmidler for å oppnå 3DNettverk 4 , 5 , 6 , 7 . Tverrbindingsmidler er imidlertid vanskelige å fjerne og forårsaker ofte bivirkninger ved deres anvendelse.

PNIPAAm kan aggregere eller samle seg i partikler under høy temperatur og omdisponere også til homogen løsning når temperaturen er lavere enn dens LCST. Tverrbinding og kjemisk modifikasjon brukes ofte for hydrogelpreparering for å forhindre sammenbrudd av 3D-nettverk. Termoinducert tverrbinding via hydrogenbinding brukes her for å erstatte kjemiske reaksjoner, og dermed forenkle syntesen og fremstillingsprosessen.

Kritisk for suksessen med hydrogelfabrikk er polymerisasjons- og tverrbindingsfri prosess og innkapsling av hydrofobe legemidler. Uten polymerisering kunne hydrogelen fjerne de uomsatte initiatorer og monomerer som ofte førerTil sterk toksisitet. Her har vi vellykket oppnådd dispersjon og innkapsling av uorganiske forbindelser (jernoksid) og hydrofobe molekyler (curcumin) via overflate-modifikasjon og oppløsningsmiddelinnføring.

Gjennom in vitro- frigivelsestester ( Figur 7 ) fant vi at magnetiske mikrogeler hadde en effektiv økning av både temperatur og frigjøringsprosent i det eksterne magnetfeltet (HFMF) ved den magnetiske induktive oppvarmings (hypertermi) effekten. Med de nevnte egenskapene er disse PNIPAAm-baserte magnetiske mikrogeler potensielle kandidater for magnetisk og termisk utløst, målrettet tilførsel av svulsterapi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Taiwans departement for vitenskap og teknologi (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2), og støttes delvis av Institutt for atomisk og molekylær vitenskap, 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

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).

Tags

Bioengineering utgave 125 magnetisk utløst frigivelse poly ( jernoksid nanopartikler curcumin magnetisk og termisk sensitiv polymerer termo-indusert emulsjon
Magnetisk og Termisk-sensitiv Poly (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamid) -baserte mikrogeler for magnetisk utløst kontrollert frigivelse
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kuo, C. Y., Liu, T. Y., Wang, K. S., … 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