Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Manyetik ve Termal Duyarlı Poli ( doi: 10.3791/55648 Published: July 4, 2017

Summary

Bu el yazması, kimyasal reaksiyona girmeden sıcaklık ile indüklenen bir emülsiyonla manyetik ve termal duyarlı mikrojellerin hazırlanmasını açıklamaktadır. Bu hassas mikrogeller poli ( N- izopropilakrilamid) (PNIPAAm), polietilenimin (PEI) ve manyetik ve termal olarak tetiklenen uyuşturucu salınımında potansiyel kullanım için Fe3O4 -NH2 nanopartikülleri karıştırılarak sentezlenmiştir.

Abstract

Kapsüllenmiş anti kanser ilaç curcumin (Cur) ile manyetik ve termal olarak duyarlı poli ( N- izopropilakrilamid) (PNIPAAm) / Fe3O4 -NH2 mikrojelleri manyetik olarak tetiklenmiş salınım için tasarlanmış ve imal edilmiştir. Küresel bir yapıya sahip PNIPAAm tabanlı manyetik mikrojeller, sıcaklığa bağlı bir emülsiyon ile ve ardından PNIPAAm, polietilenimin (PEI) ve Fe3O4 -NH2 manyetik nanopartikülleri karıştırılarak fiziksel çapraz bağlanma yoluyla üretildi. Dağılımlarından ötürü, Fe 3 O 4 -NH 2 nanopartikülleri polimer matrisi içine gömülmüşlerdir. Fe3O4 -NH2 ve PEI yüzeyi üzerinde maruz bırakılan amin grupları, PNIPAAm'in amid gruplarıyla fiziksel olarak çapraz bağlanarak küresel yapıyı destekledi. Hidrofobik anti-kanser ilacı curcumin mikrogele kapsülleştirildikten sonra suya dağıtılabilir. Mikrojenler karakterize edildiTransmisyon elektron mikroskobu (TEM), Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ve UV-Vis spektral analizi. Dahası, manyetik olarak tetiklenen serbest bırakma, bir harici yüksek frekanslı manyetik alan (HFMF) altında incelendi. Manyetik endüktif ısıtma (hipertermi) etkisi nedeniyle HFMF'yi mikrogele uyguladıktan sonra, curcumin'in belirgin bir "patlama salınımı" görülmüştür. Bu el yazısı, potansiyel olarak tümör terapisi için uygulanabilen cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 kapsüllü curcumin'in manyetik olarak tetiklenen kontrollü salımını tanımlamaktadır.

Introduction

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

Hidrojeller çözülmeyen ancak sulu çözeltilerde şişebilen üç boyutlu (3B) polimerik ağlardır 1 . Polimerik ağlar hidrofıl alanlara (hidrojel yapısını sağlamak için hidratlanabilir) ve çapraz bağlantılı bir yapıya sahiptir (ağın çökmesini önleyebilir). Emülsiyon polimerizasyonu, anyonik kopolimerizasyon, komşu polimer zincirlerinin çapraz bağlanması ve ters mikro emülsiyon polimerizasyonu 2 gibi hidrojellerin hazırlanması için çeşitli yöntemler araştırılmıştır. Yapısal olarak kararlı hidrojelleri 1 , 3 elde etmek için bu yöntemlerle fiziksel ve kimyasal çapraz bağlar getirilir. Kimyasal çapraz bağlama normalde polimerlerin omurgasını veya yan zincirini birbirine bağlayan çapraz bağlama maddesinin katılımını gerektirir. Kimyasal çapraz bağlarla karşılaştırıldığında fiziksel çapraz bağlama fabr için daha iyi bir seçimdir Bu maddeler çoğu zaman pratik uygulamalar için toksiktir, çünkü bir çapraz bağlayıcı ajan kaçınılması nedeniyle, hidroklorik asitleri içerir. İyonik etkileşim ile çapraz bağlanma, kristalleşme, amfifilik bloklar arasındaki bağlama veya polimer zincirlerinde aşılama ve hidrojen bağlanması 4 , 5 , 6 , 7 gibi fiziksel olarak çapraz bağlı hidrojellerin sentezi için çeşitli yaklaşımlar araştırılmıştır.

Farklı çevre koşullarına ( yani sıcaklık, pH, ışık, iyonik güç ve manyetik alan) yanıt olarak konformasyonel, kimyasal veya fiziksel özellik değişiklikleri yapabilen uyarana duyarlı polimerler son zamanlarda kontrollü salım sistemleri için potansiyel bir platform olarak dikkat çekti , Ilaç verme ve anti-kanser tedavisi 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Araştırmacılar, iç sıcaklıkların kolayca kontrol edilebildiği termo-duyarlı polimerlere odaklanıyorlar PNIPAAm, hem hidrofilik amid grupları hem de hidrofobik izopropil grupları içeren termal olarak duyarlı bir polimerdir ve daha düşük bir kritik çözelti sıcaklığı (LCST) 13. Amid grupları ve su molekülleri arasındaki hidrojen bağları, düşük sıcaklıklarda (LCST'in altında) sulu çözeltide PNIPAAm'in dağılmasını sağlarken, polimer zincirleri arasındaki hidrojen bağları yüksek sıcaklıklarda (LCST'nin üstünde) meydana gelir ve suyun dışında tutulur Polimer ağının çökmesi için polimer zincirinin uzunluğunun hidrofobik ve hidrofilik oranını ayarlayarak, polimer ağının çökmesi için polimer zincir uzunluğunun ayarlanmasıyla, sıcaklık ile tetiklenen, kendi kendine monte edilmiş hidrojellerin hazırlanması için birçok rapor yayınlanmıştır. Örneğin, kopolimerleştirme, aşılama veya yan- Eczacılık için zincir tadilatıCal platformları 14 , 15 , 16 , 17 .

Demir, kobalt ve nikel gibi manyetik malzemeler, son on yılda biyokimyasal uygulamalar için artan bir ilgi görmüştür18. Bu adaylar arasında, kararlılığı ve toksisitesi düşük olması nedeniyle demir oksit en yaygın olarak kullanılır. Nano boyutlu demir oksitler anında manyetik alana tepki verirler ve süperparamanyetik atomlar gibi davranırlar. Bununla birlikte, bu tür küçük partiküller kolayca toplanır; Bu yüzey enerjisini azaltır ve bu nedenle dağılmalarını kaybeder. Su dağılımını arttırmak için katmanı korumak için aşılama ya da kaplama yaygın olarak yalnızca her bir parçacığı kararlılık için ayırmakla kalmayıp aynı zamanda reaksiyon yerini 19 daha da işlevsel hale getirmek için uygulanmaktadır.

Burada, manyetik PNIPAAm tabanlı mikro ürettikJelleri, kontrollü salım sistemleri için ilaç taşıyıcıları olarak görev yaparlar. Sentez işlemi Şekil 1'de tarif edilmiş ve gösterilmiştir. Karmaşık kopolimerleştirme ve kimyasal çapraz bağlama yerine, PNIPAAm'ın yeni sıcaklığa bağlı emülsiyonu ve ardından fiziksel çapraz bağlanma, ilave yüzey aktif madde veya çapraz bağlayıcı ajanlar olmaksızın mikrojellerin elde edilmesi için kullanıldı. Bu, sentezi basitleştirdi ve istenmeyen toksisiteyi önledi. Böyle basit bir hazırlama protokolünde as-sentezlenmiş mikrojeller hem manyetik demir oksit nanoparçacıkları hem de hidrofobik, anti-kanser ilacı curcumin için su dağılımı sundu. FT-IR, TEM ve görüntüleme dispersiyon ve kapsülleme bulgusu sağladı. Gömülü Fe3O4 -NH2 nedeniyle, manyetik mikrojeller, HFMF altında kontrollü salınma için mikro-cihazlar olarak hizmet etme potansiyeline sahiptir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

1. Yüzey Değiştirilmiş, Suda Dağılan Manyetik Nanopartiküllerin, Fe3O4 ve Fe3O4-NH2 Sentezi

  1. 14.02 g FeCl3, 8.6 g FeCl2.4H20 ve 250 mL su 500 mL'lik bir behere ilave edilir.
  2. Mekanik karıştırmayı ayarlamak için rotoru ve kontrol birimini bağlayın. Çözeltiyi 300 rpm'de 30 dakika oda sıcaklığında (RT) karıştırın.
  3. Oda sıcaklığında çözeltiye 25 mL amonyum hidroksit (% 33) ilave edin ve 30 dakika karıştırmaya devam edin (300 rpm). Beher'i açık tutun.
    DİKKAT: Amonyum hidroksit, solunduğunda burun tahrişine neden olabilir. Bu adım, uygun bir davlumbazın içinde yapılmalıdır.
  4. Manyetik demir oksitleri (Fe 3 O 4 ) toplamak için, mekanik karıştırmayı kaldırın. Siyah partikülleri toplamak için beherin altına bir mıknatıs koyun.
    1. Fe3O4 nanopartikülleri tamamen çökeltildikten sonra, üst fazı dikkatlice çıkarın. B sallayınFe 3 O 4 kaybını önlemek için süpernatant dökülürken.
    2. Mıknatısını çıkarın ve behere 50 mL tatlı su ilave edin.
    3. Fe 3 O 4'ü yeniden dağıtmak için beheri çalkalayın. Fe 3 O 4'ü saflaştırmak için 1.4 ila 1.4.2 arasındaki adımları üç kez tekrarlayın.
  5. Son yıkamadan sonra tüm Fe 3 O 4'ü (10 g) 100 mL'lik bir cam şişeye aktarın. Toplam çözelti hacmi 100 mL olana kadar su ilave edin. Cam şişeyi, topaklar görünmez olana kadar şiddetle sallayın.
    NOT: Protokol burada duraklatılabilir. Fe3O4 nanopartikülleri hazırlanır.
  6. Fe 3 O 4'ü aminosilan (Fe 3 O 4 -NH 2 ) ile değiştirin.
    1. Adım 1.5'den 100 mL solüsyon alın ve 1.000 mL'lik bir behere aktarın. 10 mL amonyak çözeltisi, 90 mL su ve 900 mL etanol behera ilave edin.
    2. Çözeltiyi karıştırmak için manyetik bir karıştırma çubuğu kullanın.300 rpm. Oda sıcaklığında behere damla damla 500 uL (3-aminopropil) trietoksisilan (APTES) ilave edin ve 12 saat daha karıştırın.
  7. Bölüm 1.4'te açıklandığı gibi Fe3O4 -NH2'yi arındırın ve toplayın.
  8. 20 mL su ile 20 mL'lik bir cam şişeye 1 g Fe3O4 -NH2 (adım 1.7'den) tekrar dağıtın.
    NOT: Protokol burada duraklatılabilir. Fe3O4 -NH2 nanopartikülleri hazırlanır.

2. Termoya Bağlı Emülsiyonla Organik-inorganik Hibrid Mikrojellerin Sentezi

  1. Çözeltinin Hazırlanması 1-1 ve 1-2 .
    1. Çözelti 1-1 için 0.25 g PNIPAAm, 5 mL Fe 3 O 4 solüsyonu (adım 1.5'den) ve 0.2 g PEI'den 50 mL'lik bir cam şişeye ilave edin. 20 mL su ekleyin ve 300 rpm'de 30 dakika karıştırmak için manyetik bir karıştırma çubuğu kullanın.
    2. Çözüm 1-2 için adım 2.1.1'i tekrarlayın, ancak Fe 3 O 4'ü Fe olarak değiştirin3 0 4 -NH2 çözeltisi (basamak 1.8'den itibaren).
  2. Çözelti 2'yi hazırlamak için 0.8 mL PEI ve 18.2 mL su 50 mL'lik bir cam şişeye ilave edilir. Çözeltiyi 70 ° C'ye 30 dakika ısıtmak için bir su banyosu kullanın. İkinci bir çözüm 2 şişesi hazırlayın.
  3. PNIPAAm / Fe 3 O 4'ün hazırlanması .
    1. Sonikasyon için ultrasonik hücre bozucu (50 w), karıştırmak için manyetik bir karıştırma çubuğu (300 rpm) ve Çözelti 2'yi (70 ° C) ısıtmak için bir su banyosu kullanın.
    2. Isıtılmış Solüsyon 2'ye 1 mL / dakika oranında 3 mL'lik bir şırınga kullanarak damla damla Çözüm 1-1 ekleyin.
    3. Sonication, karıştırma ve 70 ° C'de 30 dakika ısıtma işlemine devam edin.
    4. Çözeltiyi oda sıcaklığına soğutun. Çözümü hücre bozucu ve su banyosundan çıkarın.
    5. Mıknatısı cam şişeye yakın bir yere yerleştirerek mikrogelleri toplayın.
    6. Süpernatantı af çıkarınMikrojeller cam şişenin tabanına çöktü.
    7. Cam şişeye başka bir 25 mL su ilave edin ve mikrojeleri vorteksleyerek yeniden dağıtın. Bu çözüm PNIPAAm / Fe 3 O 4'dür.
      NOT: Protokol burada duraklatılabilir.
  4. PNIPAAm / Fe3O4 -NH2'nin hazırlanması.
    1. Sonikasyon için ultrasonik hücre bozucu (50 w), karıştırmak için manyetik bir karıştırma çubuğu (300 rpm) ve Çözelti 2'yi (70 ° C) ısıtmak için bir su banyosu kullanın.
    2. Isıtılmış Solüsyon 2'ye 1 mL / dakika oranında 3 mL'lik bir şırınga kullanarak damla damla 1-2 solüsyonu ilave edin.
    3. Sonication, karıştırma ve 70 ° C'de 30 dakika ısıtma işlemine devam edin.
    4. Çözeltiyi oda sıcaklığına soğutun. Çözümü hücre bozucu ve su banyosundan çıkarın.
    5. Mıknatısı cam şişeye yakın bir yere yerleştirerek mikrogelleri toplayın.
    6. Mikrojeller çöktükten sonra,Süpernatan.
    7. Cam şişeye başka bir 25 mL su ilave edin ve mikrojeleri vorteksleyerek yeniden dağıtın. Bu çözüm PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 dir.
      NOT: Protokol burada duraklatılabilir.

3. Curcumin-yüklü Mikrojellerin Hazırlanması (Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2)

NOT: Bu adımlar karanlıkta gerçekleştirilmelidir.

  1. 20 mL cam şişeye 100 mg Cur ve 20 mL etanol ilave edin.
  2. 2 mL Cur solüsyonu alın ve PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 solüsyonuna (adım 2.4.7) aktarın. 400 rpm'de karıştırın ve oda sıcaklığında gece boyunca karıştırın.
  3. 400 rpm'de ve oda sıcaklığında gece boyunca karıştırdıktan sonra, 2.4.5 ve 2.4.6 adımlarında açıklandığı gibi PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 toplamak için mıknatıs kullanın.
  4. Cam şişeye başka bir 25 mL su ilave edin ve mikrojeleri vorteksleyerek yeniden dağıtın. Bu çözüm C Ur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2.

4. Manyetik Tetikli İlaç Salınımı

  1. 10 mL Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 solüsyonunu aktarın ve 15 mL santrifüj tüpüne 2 mL su ilave edin.
  2. HFMF 20'yi uygulamak için santrifüj tüpünü bobinin merkezine yerleştirin. HFMF'yi 15 KHz'de 20 dakika boyunca uygulayın.
  3. 0.5 mL HFMF solüsyonunu geri çekin ve HFMF'yi uygularken her 2 dakikada bir taze 0.5 mL su ile değiştirin.
  4. Geri çekilen çözeltiyi 1 mL'lik küvete aktarın.
  5. Geri çekilen çözeltinin UV / Vis ile 482 nm'de emilimini ölçün 21 .
  6. Standart bir kalibrasyon eğrisinden emilim ve konsantrasyon ilişkisini kullanarak salınan ilaçların konsantrasyonunu belirleyin 22 .
    NOT: Standart kalibrasyon ilişkisi:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Burada korelasyon katsayısı 0.9993'tür.

5. Manyetik Mikrojellerin Karakterizasyonu

  1. Termogravimetrik analizör (TGA) 23 .
    1. PNIPAAm / Fe 3 O 4 ve PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2'nin hava atmosferi altındaki sıcaklığa TGA ile ağırlık kaybını ölçün.
      1. Numuneyi oda sıcaklığında 100 ° C'ye ısıtın ve nemi ortadan kaldırmak için bu sıcaklıkta 10 dakika tutun. Numuneyi 100 ° C'den 800 ° C'ye 10 ° C / dak'lık bir hızda ısıtın. Numuneleri tartın.
      2. Hem PNIPAAm / Fe 3 O 4 hem de PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2'nin ağırlık kaybına karşı sıcaklık kaybını çizin.
        NOT: Kalan ağırlık PNIPAAm iken, artık madde ağırlığı Fe3O4 veya Fe3O4 -NH2 şeklindedir.
  2. FT-IR"> 24.
    1. 10 mg örnek 1 g KBr ile 100 ° C'de gece boyunca kurutun.
    2. Adım 5.2.1'deki karışıma, aşağıdaki adımlarda (5.2.2.1 - 5.2.2.5) açıklandığı gibi peletler halinde basınız:
      1. Adım 5.2.1'deki malzemeleri harç ve havyar kullanarak ince bir toz haline getirin.
      2. Toplanan aygıtı (harç ve havlu) pellet presine yerleştirin. Aygıtı, tam basın ortasında hizalayın.
      3. Basınç 20.000 psi'ye ulaşıncaya kadar basın. Pelet 5 dakika süreyle bu basınç altında bekleyelim.
        DİKKAT: Aygıtı basın basıncının tam ortasında hizalayın; aksi halde numune harca dağıtacak ve maruz kalma tehlikesine neden olacaktır.
      4. Pellet ve pistonu içeren kalıpları presden çıkarın.
      5. Tavanı ters çevirin ve pelleti dışarı doğru itmek için pistonu pompalayın.
    3. Örneklerin FT-IR absorpsiyon spektrumlarını, 400 ila 4000 cm- 1 arasında değişen frekanslarda FT-IR ile kaydedin -1 çözünürlüklü 24 .
  3. TEM ile Morfoloji gözlemleri 25 .
    1. Örnek çözeltiyi, bir kolloid ile kaplanmış bir bakır ızgaraya bırakın ve sonra oda sıcaklığında veya 70 ° C'lik bir fırında gece boyunca kurutun.
    2. TEM görüntüleri alın.
      NOT: Güçlü elektron kirişleri numunelere zarar verebilir. Bu nedenle, TEM görüntüleri olabildiğince çabuk alınmalıdır.
  4. Polimerlerin ve mikrojellerin sulu dağılım özellikleri.
    1. PNIPAAm çözeltisi hazırlamak için, 7 mL'lik bir cam şişeye 7 mg PNIPAAm ve 7 mL su ilave edin. Agrega yok olana kadar çözümü karıştırmak için bir girdap kullanın.
    2. PNIPAAm / Fe3O4-NH2 solüsyonunu hazırlamak için 0.7 mL'lik bir PNIPAAm / Fe3O4-NH2 solüsyonu (adım 2.4.7) 7 mL'lik bir cam şişeye aktarın ve 6.3 mL su ilave edin. Yağış yok olana kadar çözeltiyi karıştırmak için bir girdap kullanın.
    3. Cur-PNIPAA hazırlamak içinM / Fe3O4 -NH2 çözeltisi ile boşaltılır, 7 mL cam şişeye 0.7 mL Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 solüsyonu (adım 3.4) aktarılır ve 6.3 mL su ilave edilir. Yağış yok olana kadar çözeltiyi karıştırmak için bir girdap kullanın.
    4. Dijital kamera kullanarak çözümlerin resimlerini (adım 5.4.1 - 5.4.3) alın.
    5. Solüsyonları bir fırına yerleştirin ve sıcaklığı 70 ° C'ye ayarlayın. Denge olana kadar 2 saat bekleyin.
    6. Çözümlerin bir başka resmini çekin. Sıcaklığı korumak için 1 dakika içinde fotoğrafı çekin. Cam şişeyi sallamaktan kaçının, aksi takdirde çökelmeleri tekrar dağıtabilirsiniz.
  5. Mikrojellerin manyetik olarak toplanması için güçlü mıknatısı Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 solüsyonuna yakın yerleştirin (adım 5.4.3). Mikrojeller tamamen toplanana kadar bekleyin, sonra resim çekin.
    1. Mıknatısı çıkarın ve mikrojel çözeltisini tamamen dağılana kadar vorteksleyin. Başka bir resim çek. </ Li>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

PNIPAAm / PEI / Fe3O4 -NH2 mikrojellerinin sentezi için şema Şekil 1'de gösterilmektedir. TGA, organik bileşiğin tüm mikrojöre karşı göreli kompozisyonunu hesaplamak için uygulanmıştır. Sadece PNIPAAm organik bileşiği yakılacağı için, PNIPAAm ve Fe3O4 (veya Fe3O4 -NH2) 'nin göreli kompozisyonu belirlendi ve Tablo 1'de gösterildi. Neden PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 mikelleri daha iyi dağılma sergiliyor, ancak demir oksitlerin daha düşük içeriklerine sahip mi? PNIPAAm / Fe 3 O 4'teki etkiden daha güçlü etkileşim ve daha iyi dağılım nedeniyle, Fe 3 O 4 -NH 2 , PNIPAAm'yi Fe 3 O 4'e göre çapraz bağlamak için daha kolaydır. Sonuç olarak, PNIPAAm / Fe3O'nun verimleri

PNIPAAm çözümlerinin TEM görüntüleri ve manyetik mikrogels dijital kamera ile oda sıcaklığında alındı. Şekil 2a'da gösterildiği gibi, oda sıcaklığında saf bir PNIPAAm çözeltisinde belirli yapılar yoktur. Bununla birlikte, düzenli küresel demir oksit partisiPNIPAAm ve PEI arasındaki hidrojen bağından kaynaklanan fiziksel çapraz bağlantının kanıtını sağlayan hem PNIPAAm / Fe3O4 ( Şekil 2c ) hem de PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ( Şekil 2d ) mikrojellerinde cesetler ( Şekil 2b ) gözlemlendi . Fe3O4 nanoparçacıklarının çoğu, sadece PNIPAAm temelli matris yüzeyinde adsorbe edilebilir ve toplanan agrega kümeleri ( Şekil 2c ) olabilir. Bununla birlikte, çıplak Fe 3 O 4 nanoparçacıklarına kıyasla, daha büyük su dağılımı ve daha küçük manyetik nanopartikül boyutundan ( Şekil 3d ) dolayı APTES ile modifiye edilmiş demir oksit nanopartikülleri, Fe3O4 -NH2 parçacıklara gömülebilir. Curcumin yüklendikten sonra, Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ( FiGure 2e), Cur'in hidrofobik özelliğinden dolayı manyetik mikrogele göre çok daha izole edildi. Sonuçlar aynı zamanda Cur'ın sadece içeride kapsül içine alınmadığını, aynı zamanda mikrojellerin yüzeyinde emildiğini de göstermektedir.

Mikrojel hazırlığı ve terapötik molekül kapsülleme Şekil 3'te gösterildiği gibi FT-IR analizi ile tanımlandı. Literatürdeki 19 , 26 Fe 3 O 4 ile karşılaştırıldığında, 2927, 1203, 987 ve 472 cm "de yeni ortaya çıkan emilim tepeleri CH gerilme, Si-O-Si gerilme, Si-O titreşimine atfedilir Gerilme ve Si-O bükülmesi ile sonuçlandı; bu, APTES'in Fe3O4 nanopartiküllerinin yüzeyini kaplaması için başarılı bir şekilde değiştirilmesini önerdi. Her iki PNIPAAm / Fe3O4 de Fe-O titreşim dorukları (584 cm " 1 ) gözlendi 3 O 4'de , PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2'dekiinkinden daha yüksekti; bu da, bileşim tanımımızı destekledi; daha iyi bir su dağılımı, Daha iyi yapısal dağılım. Yükleme işleminden sonra Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2'nin FT-IR spektrumlarında, sırasıyla aromatik C = C bükülmesi ve OH gerilmesine atıfla, 1509 ve 3511 cm "1'de curcumin'in karakteristik absorpsiyon zirveleri ortaya çıktı; Curcumin'in başarılı şekilde kapsüllenmesini belirtti.

Çeşitli mikrojellerin 25 ° C veya 70 ° C'deki fotoğrafları, Şekil 4'te gösterilmektedir; buradaki sütli ve kahverengi çözeltiler sırasıyla PNIPAAm ve demir oksitlerin bir araya toplanmasını temsil etmektedir. Şekil 4a - Şekil 4d - f'de gösterildiği gibi PNIPAAm'nin LCST'sinden daha yüksek ısıtıldığında opak hale geldi. Her iki manyetik mikrogelin de sütlü, ancak herhangi bir yağış olmadan dağıldı ve bu, PNIPAAm, Fe3O4 -NH2 ve kurkumin arasındaki mükemmel dağılma ve kuvvetli, fiziksel bağlanmayı gösterdi. Şekil 5'de gösterildiği gibi, manyetik mikrojeller, mıknatıs ile kolayca toplanabilir ve mıknatıs çıkarıldıktan sonra herhangi bir agregasyon olmadan sulu çözeltiye yeniden dağıtılabilir. Sonuçlar, bu manyetik mikrogellerin potansiyel olarak insan vücudu f gibi sulu bir verme sistemine uygulanabileceğini gösterdiVeya klinik uygulamalar.

Manyetik mikrojellerin in vitro serbest bırakma davranışları HFMF ile izlendi. Oluşturulan deney düzeneği Şekil 6'da gösterilmektedir, burada santrifüj tüpü manyetik alanı taşıyan bobinin ortasında olmalıdır. Tüp merkezinde bulunan kahverengi çökeltme, HFMF muameleleri altında çözeltilerden ayrılan manyetik mikrojeldir.

HFMF olan ve olmayan manyetik salınma yüzdesi izlendi ve Şekil 7'de gösterildi. Aynı periyotlarda (20 dakika) HFMF içermeyen serbest bırakma yüzdesiyle karşılaştırıldığında, serbest bırakma yüzdesi HFMF işlemi altında 2,5 kat arttı ve toplu çözelti sıcaklığı eşzamanlı olarak 50 ° C'nin üzerine çıkabildi. Termo duyarlı polimerlerin tutulması nedeniyle, PNIPAAm, manyetik mikrojeleler,PNIPAAm polimer matrisinin hidrofobik hale gelmesi ve daha sonra yüksek sıcaklık (50 ° C) altında konjuge edilmesinden kaynaklanan enkapsüle ilacı (Cur) sıkıştırın. Bu arada, curcumin, HFMF'yi uygulayarak anti-kanser tedavisini başarmak için serbest bırakılabilir. HFMF üzerine manyetik indüksiyondan yerel ısıtma, hidrofobik Cur'in yüksek sıcaklıklarda hidrofobik PNIPPAm'e bağlanması beklense bile Cur ve PNIPPAm arasındaki bağlanmayı yok edebilir. Ayrıca, manyetik mikrojellerin hacim değişimi (hidrofilikten hidrofobik ve düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa) Cur da sıkıştıracaktır.

Kütlesel çözeltinin sıcaklık artışı kaydedildi ve elmas simgesi bulunan kırmızı eğri olarak Şekil 7'de gösterildi. Gösterildiği gibi, sıcaklık ilk önce ısıtma süresi ile arttı ve 14 dakika sonra yükseldi. Plato, manyetik endüktif ısıtmanın doygunluğu (hipertermi)Dökme suda. Bununla birlikte, lokalize sıcaklık Cur'in sıkışması için yeterince yüksek olmalıdır.

Şekil 1
Şekil 1. PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2 Mikrojelleri İçin Şematik Sentez Prosesi.
PNIPAAm, Fe3O4 -NH2 ve PEI'yı birlikte karıştırın ve karışımı 70 ° C'ye ısıtın, böylece mikrojel preparasyonu için H-bağlanması sağlanır. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2. PNIPAAm Çözümleri ve Manyetik Mikrojellerin TEM görüntüleri. A) PNIPAAm, b ) Fe3O4, c) PNIPAAm / Fe3O4, d) PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ve e) Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2. TEM görüntüleri numunelerin dağılışı ve morfolojisini izlemek için çekilmiştir. TEM örnekleri oda sıcaklığında hazırlandı. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3
Şekil 3. PNIPAAm, Fe3O4 -NH2, PNIPAAm / Fe3O4, PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ve Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2'nin FT-IR Spektrumu. As-sentezlenen mikrojeller KBr ile harmanlanmış ve pelet haline getirilmiştir. FRIR daha sonra etkileşimleri açıklığa kavuşturmak için uygulandı oF PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PEI ve kurkumin ile fonksiyon gruplarının absorbsiyon değişimlerini izleyerek. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 4
Şekil 4. LCST'nin Altında ve Üstünde Mikrojellerin Sulu-Dağılım Yetenekleri: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ve c) 25 ° C'de Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 ve f) 70 ° C'de Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2. Numune solüsyonları oda sıcaklığında hazırlandı ve 70 ° C'ye kadar ısıtıldı. FotoğrafSentezlenen mikrojellerin suda dağılmasını gözlemlemek için RT ve 70 ° C'de grafikler alındı. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 5
Şekil 5. Bir Magnetle Curcumin-Yüklü Manyetik Mikrojellerin Toplanması. Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 sulu solüsyonda (solda) dağıtıldı ve bir mıknatıs (sağda) ile toplandı. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 6
Şekil 6. Manyetik-trig için Deneysel Aparat HFMF ile gered Release. Beyaz halka bakır sargısıdır. Manyetik mikrojelleri içeren santrifüj tüpü gösterilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 7
Şekil 7. pH 7,4'de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 Mikrojelerinin (Kare Sembol) ve (Çember Sembolü) HFMF ile Kontrollü Salınması. HFMF'yi uygulayan manyetik mikrojellerin (siyah; kareler) ve bulunmayan (siyah; daireler) ile curcumin serbest bırakma yüzdesi gösterilmiştir. HFMF ile Cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 mikrojellerinin sıcaklıktaki artışı kırmızı renkte (elmas) gösterilir. Hata çubukları SD'yi temsil eder.= "_ Blank"> Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Numuneler PNIPAAm (%) Fe3O4 (%)
PNIPAAm / Fe3O4 32.37 68.63 (Fe3O4)
PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 68.56 31.44 (Fe3O4 -NH2)

Tablo 1. Mikrojellerde Manyetik Nanopartiküllerin ve PNIPAAm'in Nispi Bileşimi (% ağırlık). Manyetik mikrojellerin göreli kompozisyonu TGA analizi kullanılarak hesaplandı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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

Hazırlamanın en önemli basamakları, termo indüklenmiş emülsiyonla manyetik mikrojellerin sentezi için protokol 2. bölümdedir. Şekil 2'de gösterildiği gibi (TEM görüntüleri), PNIPAAm (amid grupları), PEI (amin grupları) arasındaki güçlü H bağından kaynaklanan fiziksel çapraz bağlanma nedeniyle mikrogellerin küresel yapısı RT'de (LCST'den düşük) muhafaza edilebilir. Ve Fe3O4 -NH2 (amin grupları). Şekil 4'teki karşılaştırmaya dayanarak, manyetik mikrojeller düşük (25 ° C) veya yüksek (70 ° C) sıcaklıkta iyi dağıldı. Mikrojeller aynı zamanda bir mıknatıs ile toplanabilir ve Şekil 5'de gösterildiği gibi homojen bir çözeltiye yeniden dağıtılabilir.

Hem hidrofobik hem de hidrofilik monomerler ile sentezlenen hidrojellerin geleneksel hazırlanması, normal olarak, 3D elde etmek için çapraz bağlayıcı ajanlara ihtiyaç duyarAğlar 4 , 5 , 6 , 7 . Bununla birlikte, çapraz bağlayıcı ajanlar çıkarılması zordur ve genellikle uygulamalarında yan etkilere neden olurlar.

PNIPAAm, yüksek sıcaklık altında parçacıklar halinde bir araya toplanabilir veya kendiliğinden birleşebilir ve sıcaklık LCST'den düşük olduğunda homojen bir çözeltiye yeniden dağılabilir. Çapraz bağlanma ve kimyasal modifikasyon, genellikle 3B şebekelerinin çökmesini önlemek için hidrojel hazırlığı için kullanılır. Kimyasal reaksiyonları değiştirmek için burada hidrojen bağıyla termo ile indüklenen çapraz bağlama uygulanır, böylece sentez ve hazırlama işlemi basitleştirilir.

Hidrojel üretiminin başarısı için kritik olan, polimerizasyon ve çapraz bağlamadan muaf proses ve hidrofobik ilaçların kapsüllenmesidir. Polimerizasyondan sonra, hidrojel reaksiyona girmeyen başlatıcıları ve monomerlerin çoğunluklaGüçlü toksisiteye. Burada, yüzey modifikasyonu ve solvent-girişi yoluyla inorganik bileşiklerin (demir oksit) ve hidrofobik moleküllerin (curcumin) dağılımını ve kapsüllenmesini başarıyla gerçekleştirdik.

İn vitro salınım testleri ( Şekil 7 ) ile manyetik indüktif ısıtma (hipertermi) etkisi ile manyetik mikrojellerin harici manyetik alan (HFMF) sıcaklık ve serbest bırakma yüzdesinde etkili bir artış olduğunu bulduk. Bahsedilen özelliklerle, bu PNIPAAm tabanlı manyetik mikrojeller, manyetik olarak ve termal olarak tetiklenen, tümör terapisinin hedefe yönelik iletiminde potansiyel adaydır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma mali olarak Tayvan Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) tarafından desteklenmiş ve kısmen Atom ve Moleküler Bilimleri Enstitüsü tarafından desteklenmiştir, Akademisyen 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).
Manyetik ve Termal Duyarlı Poli (<em&gt; K</em&gt; -izopropilakrilamid) Esaslı Manyetik Tetiklemeli Kontrollü Salınım İçin Mikrojeller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter