Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

מגנטי תרמי רגיש פולי ( 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

כתב יד זה מתאר את הכנה של מיקרוגלים מגנטיים רגישים תרמית באמצעות תחליב המושרה טמפרטורה ללא תגובה כימית. אלה microgels רגישים היו מסונתז על ידי ערבוב של פולי (Niisopropylacrylamide) (PNIPAAm), polyethylenimine (PEI) ו Fe 3 O 4- NH 2 חלקיקים עבור שימוש פוטנציאלי מגנטית מופעלת תרופה משוחרר.

Abstract

מגנטי ו רגיש תרמית פולי (Nisopropylacrylamide) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 microgels עם encorulated נגד סרטן התרופה כורכומין (Cur) נועדו ו מפוברקות עבור שחרור מופעלות מגנטית. PNGAAm מבוססי microgels מגנטיים עם מבנה כדורית הופקו באמצעות תחליב המושרה טמפרטורה ואחריו עם crosslinking פיזית על ידי ערבוב PNIPAAm, polyethylenimine (PEI), ו Fe 3 O 4- NH 2 חלקיקים מגנטיים. בגלל פיזור שלהם, Fe 3 O 4- NH 2 חלקיקים היו מוטבע בתוך מטריצת הפולימר. קבוצות אמין שנחשפו על Fe 3 O 4- NH 2 ו PEI משטח נתמך על מבנה כדורית על ידי crosslinking פיזית עם קבוצות amide של PNIPAAm. הידרופובי נגד סרטן סרטן כורכום יכול להיות מפוזרים במים לאחר אנקפסולציה לתוך microgels. המיקרוגל התאפייןעל ידי מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), ספקטרוסקופית אינפרא אדום אינפרא אדום (FT-IR), ו UV- ויס ניתוח ספקטרלי. יתר על כן, שחרור מופעלת מגנטית נחקר תחת שדה מגנטי חיצוני בתדר גבוה (HFMF). "פרץ התפרצות" משמעותי של כורכומין נצפתה לאחר החלת ה- HFMF על המיקרו-גלגלים עקב השפעת החימום המגנטי (היפרתרמיה). כתב היד מתאר את שחרור מבוקר המופעל מגנטית של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 כורכומין מצופה, אשר יכול להיות מיושם פוטנציאלי לטיפול בגידולים.

Introduction

הידרוגים הם תלת ממדיים (3D) רשתות פולימריות אשר לא יכול להמיס אבל יכול להתנפח פתרונות מימיים 1 . רשתות פולימריות יש תחומים הידרופילית (אשר יכול להיות hydrated כדי לספק את מבנה הידרוג), וקונפורמציה צולבות (אשר יכול למנוע את קריסת הרשת). שיטות שונות נחקרו להכנת ההידרוגלים, כגון פילמור תחליב, קופולימריזציה אניוני, crosslinking של רשתות פולימר שכנות, ופולימריזציה מיקרו פליטת הפוך 2 . פיסיקלית וכימית cross- המקשרים הם הציגו באמצעות שיטות אלה כדי להשיג הידרוגראל יציבה מבנית 1 , 3 . כימית crosslinking בדרך כלל דורש את ההשתתפות של הסוכן crosslinking, אשר מחבר את עמוד השדרה או הצד שרשרת של פולימרים. בהשוואה crosslinking כימיים, crosslinking פיזית היא בחירה טובה יותר fabr אידאטים הידראולי עקב הימנעות של סוכן crosslinking, שכן אלה סוכנים הם לעתים קרובות רעילים עבור יישומים מעשיים 4 . מספר גישות נבדקו לצורך סינתזה של הידרוג'ים צולבים פיזית, כמו crosslinking עם אינטראקציה יונית, התגבשות, מליטה בין בלוקים amphiphilic או השתלת על שרשראות פולימר, ואת מימן מליטה 4 , 5 , 6 , 7 .

פולימרים רגישים לגירוי, אשר יכולים לעבור שינויים קונפורמטיביים, כימיים או פיזיים בתגובה לתנאים סביבתיים שונים ( כלומר טמפרטורה, pH, אור, כוח יוני ושדה מגנטי), משכו לאחרונה תשומת לב כאל פלטפורמה פוטנציאלית למערכות שחרור מבוקרות , מתן תרופות, וטיפול בסרטן 8 , 9 ,Xperf הוא פולימר רגיש מבחינה תרמית, המכיל הן קבוצות הידרופיליות של אמיד והן קבוצות איזופרופיל הידרופובי, ויש לו טמפרטורת פתרון קריטי נמוכה יותר (LCST) 13. מליטה מימן בין קבוצות amide ו מולקולות מים מספק את הפיזור של PNIPAAm בתמיסה מימית בטמפרטורות נמוכות (מתחת LCST), בעוד מליטה מליטה בין שרשראות פולימריות מתרחשת בטמפרטורות גבוהות (מעל LCST) ולא כולל מים מולקולות, כך רשת הפולימר מתמוטט.על נכס ייחודי זה, דוחות רבים פורסמו להכנת הידרוגלים מופעלות על ידי טמפרטורה, עצמית על ידי התאמת יחס הידרופובי הידרופילי של אורך שרשרת פולימר, כגון קופולימריזציה, השתלת, או צד- שינוי שרשרת עבור התרופות14 , 15 , 16 , 17 .

חומרים מגנטיים כגון ברזל, קובלט, וניקל קיבלו גם תשומת לב מוגברת במהלך העשורים האחרונים עבור יישומים ביוכימיים 18 . בין המועמדים האלה, תחמוצת הברזל היא הנפוצה ביותר בגלל יציבותה ורעילותה הנמוכה. ננו בגודל ברזל תחמוצות מגיבים באופן מיידי לשדה המגנטי להתנהג כמו אטומים superparamagnetic. עם זאת, חלקיקים קטנים כאלה בקלות מצטברים; זה מפחית את האנרגיה על פני השטח, ולכן הם מאבדים את הפיזור שלהם. כדי לשפר את פיזור המים, השתלת או ציפוי כדי להגן על השכבה מוחלים בדרך כלל לא רק כדי להפריד כל חלקיק בודדים ליציבות, אלא גם כדי להמשיך פונקציונליזציה של אתר התגובה 19 .

כאן, אנו מפוברק PNIPAAm מגנטי מבוסס מיקרוג'לים לשמש נשאי סמים עבור מערכות שחרור מבוקר. תהליך הסינתזה מתואר ומוצג באיור 1 . במקום קופולימריזציה מסובכת ו crosslinking כימיים, רומן טמפרטורה- Induced תחליב של PNIPAAm ואחריו crosslinking פיזית הועסק להשגת microgels ללא חומרים פעילי שטח נוספים או crosslinking. זה הפשט את הסינתזה ומנע רעילות בלתי רצויה. במסגרת פרוטוקול הכנה פשוט כזה, המיקרו-סינתזה של סינתזה הציעה פיזור מים עבור חלקיקים מגנטיים של תחמוצת ברזל ותרופה הידרופובית, אנטי-סרטנית, כורכומין. FT-IR, TEM, והדמיה סיפקו ראיות של פיזור ו אנקפסולציה. בשל FE 3 מוטבע Fe 3- NH 2 , מיקרוסקלים מגנטיים הראו פוטנציאל לשמש מיקרו התקנים עבור שחרור מבוקר תחת HFMF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה של שינוי פני השטח, מים מתפזרים, חלקיקים מגנטיים, Fe 3 O 4 ו Fe3O4-NH 2

  1. הוסף 14.02 גרם של FeCl 3 , 8.6 גרם של FeCl 2 · 4H 2 O ו 250 מ"ל מים כוס 500 מ"ל.
  2. חבר את הרוטור ואת הבקר כדי להגדיר ערבוב מכני. מערבבים את הפתרון בסל"ד 300 למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר (RT).
  3. הוסף 25 מ"ל של אמוניום הידרוקסיד (33%) לתוך הפתרון ב RT ולשמור ערבוב (300 סל"ד) למשך 30 דקות. שמור את הכוס פתוחה.
    זהירות: אמוניום הידרוקסיד עלול לגרום לגירוי באף אם הוא שואף. שלב זה חייב להתבצע בתוך מכסה המנוע המתאים.
  4. כדי לאסוף את תחמוצות הברזל המגנטיות (Fe 3 O 4 ), הסר את ההתעמקות המכנית. שים מגנט מתחת לכוס כדי לאסוף את החלקיקים השחורים.
    1. לאחר Fe 3 O 4 חלקיקים הם זירז לחלוטין, להסיר בזהירות את supernatant. אל תערער את הEaker תוך לשפוך את supernatant כדי למנוע אובדן של Fe 3 O 4 .
    2. הסר את מגנט ולהוסיף 50 מ"ל של מים טריים על כוס.
    3. לנער את כוס כדי לפזר מחדש את Fe 3 O 4 . חזור על שלבים 1.4 עד 1.4.2 שלוש פעמים כדי לטהר את Fe 3 O 4 .
  5. לאחר לשטוף האחרון, להעביר את כל Fe 3 O 4 (10 גרם) לתוך בקבוק זכוכית 100 מ"ל. הוסף מים עד נפח הפתרון הכולל הוא 100 מ"ל. מנערים את בקבוק הזכוכית במרץ עד שלא יהיו גושים.
    הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן. Fe 3 O 4 חלקיקים מוכנים.
  6. שינוי Fe 3 O 4 עם aminosilane (Fe 3 O 4- NH 2 ).
    1. קח את הפתרון 100 מ"ל משלב 1.5 ולהעביר לתוך כוס 1000 מ"ל. הוסף 10 מ"ל של תמיסת אמוניה, 90 מ"ל מים, 900 מ"ל של אתנול על כוס.
    2. השתמש בסרגל מגנטי ומערבבים לערבב את הפתרון ב300 סל"ד. הוסף 500 μL של (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) dropwise על כוס ב RT ומערבבים עוד 12 שעות.
  7. לטהר ולאסוף את Fe 3 O 4- NH 2 כמתואר בסעיף 1.4.
  8. Re- לפזר 1 גרם של Fe 3 O 4 -NH 2 (משלב 1.7) בבקבוק 20 מ"ל זכוכית עם מים 20 מ"ל.
    הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן. Fe 3 O 4- NH 2 חלקיקים מוכנים.

2. סינתזה של מיקרוגלים היברידיים אורגניים-אורגניים על ידי תחליב המושרה תרמו

  1. הכנת הפתרון 1-1 ו 1-2 .
    1. עבור פתרון 1-1, להוסיף 0.25 גרם של PNIPAAm, 5 מ"ל של Fe 3 O 4 פתרון (מ שלב 1.5), ו 0.2 גרם של PEI בקבוק זכוכית 50 מ"ל. הוסף 20 מ"ל של מים ולהשתמש בסרגל מגנטי ומערבבים לערבב 300 סל"ד במשך 30 דקות.
    2. עבור פתרון 1-2, חזור על שלב 2.1.1, אבל להחליף Fe 3 O 4 כמו Fe3 O 4- NH 2 פתרון (משלב 1.8).
  2. כדי להכין את פתרון 2 , להוסיף 0.8 גרם של PEI ו 18.2 מ"ל מים בקבוק 50 מ"ל זכוכית. השתמש באמבט מים כדי לחמם את הפתרון 70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. הכן בקבוק שני של פתרון 2 .
  3. הכנת PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
    1. השתמש משבש תא קולי כדי sonicate (50 ו), מגש מערבי מגנטי לערבב (300 סל"ד), וכן אמבט מים כדי לחמם את פתרון 2 (70 מעלות צלזיוס).
    2. הוסף פתרון 1-1 כדי מחומם פתרון 2 dropwise באמצעות מזרק 3 מ"ל בקצב של 1 מ"ל / דקה.
    3. המשך sonication, ערבוב וחימום על 70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
    4. מגניב הפתרון RT. הסר את הפתרון מן disruptor התא אמבט מים.
    5. לאסוף את המיקרוגל על ​​ידי הצבת מגנט קרוב בקבוק זכוכית.
    6. הסר את afn supernatantTer microgels יש זירז לתחתית בקבוק זכוכית.
    7. מוסיפים עוד 25 מ"ל מים לבקבוק זכוכית מחדש לפזר את microgels ידי vortexing. פתרון זה הוא PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
      הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
  4. הכנת PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 .
    1. השתמש משבש תא קולי כדי sonicate (50 ו), מגש מערבי מגנטי לערבב (300 סל"ד), וכן אמבט מים כדי לחמם את פתרון 2 (70 מעלות צלזיוס).
    2. הוסף פתרון 1-2 כדי מחומם פתרון 2 dropwise באמצעות מזרק 3 מ"ל בקצב של 1 מ"ל / דקה.
    3. המשך sonication, ערבוב וחימום על 70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
    4. מגניב הפתרון RT. הסר את הפתרון מן disruptor התא אמבט מים.
    5. לאסוף את המיקרוגל על ​​ידי הצבת מגנט קרוב בקבוק זכוכית.
    6. לאחר microgels לזרז, להסיראת supernatant.
    7. מוסיפים עוד 25 מ"ל מים לבקבוק זכוכית מחדש לפזר את microgels ידי vortexing. פתרון זה הוא PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 .
      הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

3. הכנת microcels כורכום נטען (Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 )

הערה: צעדים אלה חייבים להתבצע בחושך.

  1. הוסף 100 מ"ג של קור 20 מ"ל של אתנול בקבוק 20 מ"ל של זכוכית.
  2. קח 2 מ"ל של פתרון cur ולהעביר את PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון (שלב 2.4.7). מערבבים ב 400 סל"ד ו RT לילה.
  3. לאחר ערבוב ב 400 סל"ד ו RT לילה, להשתמש במגנט כדי לאסוף PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 כמתואר צעדים 2.4.5 ו 2.4.6.
  4. מוסיפים עוד 25 מ"ל מים לבקבוק זכוכית מחדש לפזר את microgels ידי vortexing. פתרון זה הוא C Ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 .

4. מגנטית מופעלת סמים שחרור

  1. העברת 10 מ"ל של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון ולהוסיף 2 מ"ל של מים לצינור צנטריפוגה 15 מ"ל.
  2. מניחים את צינור צנטריפוגה במרכז סליל ליישום HFMF 20 . החל HFMF ב 15 קילוהרץ במשך 20 דקות.
  3. משוך 0.5 מ"ל של הפתרון HFMF ולהחליף 0.5 מ"ל טרי של מים בכל מרווח 2 דקות תוך החלת HFMF.
  4. מעבירים את הפתרון הוסר לקובט 1 מ"ל.
  5. למדוד את הקליטה של ​​הפתרון נסוג על ידי UV / Vis ב 482 ננומטר 21 .
  6. לקבוע את הריכוז של תרופות שפורסמו על ידי שימוש ביחסים של ספיגה וריכוז מעקרון כיול סטנדרטי 22 .
    הערה: יחס הכיול הסטנדרטי הוא:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    כאשר מקדם המתאם הוא 0.9993.

5. אפיון של microgels מגנטי

  1. מנתח תרמוגרבימטרי (TGA) 23 .
    1. למדוד את הירידה במשקל של PNIPAAm / Fe 3 O 4 ו PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 לעומת טמפרטורה תחת אווירה אוויר על ידי TGA.
      1. מחממים את המדגם מ RT ל 100 ° C ולשמור בטמפרטורה זו למשך 10 דקות כדי לחות. מחממים את המדגם מ 100 מעלות צלזיוס עד 800 מעלות צלזיוס בשיעור של 10 מעלות צלזיוס / דקות. לשקול את הדגימות.
      2. מגרש את הירידה במשקל לעומת הטמפרטורה של שני PNIPAAm / Fe 3 O 4 ו PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 .
        הערה: משקע שאריות הוא גם Fe 3 O 4 או Fe 3 O 4- NH 2 , בעוד המשקל האבוד הוא PNIPAAm.
  2. FT-IR"> 24.
    1. יבש 10 מ"ג של מדגם עם 1 גרם של KBR ב 100 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    2. לחץ על התערובת משלב 5.2.1 לתוך כדורי כפי שמתואר בשלבים הבאים (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. טוחנים את החומרים משלב 5.2.1 לתוך אבקה דקה באמצעות מרגמה העלי.
      2. מניחים את המתקן התאספו (מרגמה העלי) לתוך העיתונות גלולה. יישר את המנגנון בדיוק באמצע העיתונות.
      3. משאבים את העיתונות עד הלחץ של 20,000 psi הוא הגיע. בואו גלולה לשבת בלחץ זה במשך 5 דקות.
        זהירות: יישר את המנגנון באמצע המדף, אחרת המדגם יתפזר מן המרגמה ויגרום לפגיעה בחשיפה.
      4. הסר את הקובייה המכילה את גלולה ואת הבוכנה מן העיתונות.
      5. הפוך אותו הפוך ולשאוב את הבוכנה כדי לכפות את גלולה החוצה.
    3. הקלט ספקטרום ספיגה FT-IR של דגימות ידי FT-IR בתדרים הנעים בין 400 ל 4,000 ס"מ -1 -1 החלטה 24 .
  3. תצפיות מורפולוגיה על ידי TEM 25 .
    1. זרוק את הפתרון המדגם על גבי רשת נחושת מצופה קולודיון ולאחר מכן יבש ב RT או בתנור 70 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    2. קח תמונות TEM.
      הערה: קורות אלקטרונים חזקות יכולות להזיק לדגימות. לכן, תמונות TEM צריך לקחת מהר ככל האפשר.
  4. יכולת פיזור מימית של פולימרים ומיקרוגלים.
    1. כדי להכין פתרון PNIPAAm, להוסיף 7 מ"ג של PNIPAAm ו 7 מ"ל מים בקבוק 7 מ"ל זכוכית. השתמש מערבולת לערבב את הפתרון עד אין אגרגטים.
    2. כדי להכין PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון, העברת 0.7 מ"ל של PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון (שלב 2.4.7) בקבוק 7 מ"ל זכוכית להוסיף 6.3 מ"ל של מים. השתמש מערבולת לערבב את הפתרון עד שאין משקעים.
    3. להכין Cur-PNIPAAמ / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון, העברת 0.7 מ"ל של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 פתרון (שלב 3.4) בקבוק 7 מ"ל זכוכית להוסיף 6.3 מ"ל של מים. השתמש מערבולת לערבב את הפתרון עד שאין משקעים.
    4. צלם תמונה של הפתרונות (צעדים 5.4.1 - 5.4.3) באמצעות מצלמה דיגיטלית.
    5. מניחים את הפתרונות לתוך תנור ולהגדיר את הטמפרטורה ל 70 מעלות צלזיוס. המתן 2 שעות עד שיווי המשקל.
    6. קח תמונה נוספת של הפתרונות. כדי לשמור על הטמפרטורה, צלם את התמונה בתוך דקה אחת. הימנע רועד את בקבוק זכוכית כמו זה יכול לפזר מחדש את משקעים.
  5. עבור אוסף מגנטי של microgels, במקום מגנט חזק קרוב לפתרון Cur PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 (שלב 5.4.3). חכה עד microgels נאספים באופן מלא, ואז לצלם.
    1. הסר את המגנט ואת מערבולת הפתרון microgel עד מפוזרים לחלוטין. צלם תמונה נוספת/ Li>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

סכמטי עבור סינתזה של PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2 microgels מוצג באיור 1 . TGA הוחל על מנת להעריך את ההרכב היחסי של התרכובת האורגנית כנגד המיקרוגל כולו. מאז רק את המתחם האורגני PNIPAAm ניתן לשרוף, ההרכב היחסי של PNIPAAm ו Fe 3 O 4 (או Fe 3 O 4- NH 2 ) נקבע והוא מוצג בטבלה 1 . מדוע PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 מיקרוגלים להציג את פיזור טוב יותר אבל להחזיק תוכן נמוך יותר של תחמוצות ברזל? בשל אינטראקציה חזקה פיזור טוב יותר PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 יותר מזה ב PNIPAAm / Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4- NH 2 קל יותר לחצות PNIPAAm יותר מ Fe 3 O 4 . כתוצאה מכך, התשואות של PNIPAAm / Fe 3 O 2 מיקרוגלים הם הרבה יותר גבוה מאלו של PNIPAAm / Fe 3 O 4 . בשל תהליכי איסוף (שלבים 2.3.3 - 2.3.5 ו 2.4.3 - 2.4.5), PNIPAAm ללא crosslinked הוסר עם supernatant מאז רק את תחמוצת ברזל מגנטי עם microgels ניתן לספוג מגנטית. כתוצאה מכך, אחוזי המשקל של PNIPAAm ב microgels הם 32.37% (PNIPAAm / Fe 3 O 4 ) ו 68.56% (PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 ). Fe 3 O 4- NH 2 חלקיקים יכולים פיזית crosslink הרבה יותר PNIPAAm לעומת Fe 3 O 4 חלקיקים.

תמונות TEM של פתרונות PNIPAAm ו microgels מגנטי נלקחו על ידי מצלמה דיגיטלית בטמפרטורת החדר. כפי שמוצג בתרשים 2 א , אין מבנים ספציפיים פתרון PNIPAAm טהור בטמפרטורת החדר. עם זאת, רגיל תחמוצת ברזל כדורית partiקלס ( איור 2 ב ) נצפו בשתי PNIPAAm / Fe 3 O 4 ( איור 2 ג ) ו PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( איור 2d ) microgels, אשר סיפקו ראיות של crosslinking פיזי הנובע מלימוד מימן בין PNIPAAm ו PEI . רוב Fe 3 O 4 חלקיקים יכול להיות רק adsorbed על פני השטח של מטריצה ​​PNIPAAm מבוסס ויצר אשכולות צבירה ( איור 2 ג ). עם זאת, APTES- שונה חלקיקים תחמוצת ברזל, Fe 3 O 4- NH 2 יכול להיות מוטבע לתוך החלקיקים, בשל פיזור המים גדול יותר גודל קטן של חלקיקים מגנטיים ( איור 3 ), לעומת 3 חשופים Fe 3 O חלקיקים. לאחר טעון כורכומין, המורפולוגיה של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 ( FiGure 2e) היה מבודד הרבה יותר מזה של מיקרוגלים מגנטיים בגלל המאפיין הידרופובי של קור. התוצאות גם מצביעות על כך שקור לא רק נמצא בתוך תוכו אלא גם נספג על פני השטח של המיקרו.

מיקרוגל הכנה אנקפסולציה טיפולית מולקולה זוהו על ידי ניתוח FT-IR כפי שמוצג באיור 3 . לעומת Fe 3 O 4 מן הספרות 19 , 26 , הופיע לאחרונה פסגות קליטה ב 2927, 1203, 987, ו 472 ס"מ -1 יוחסו לרטט של מתיחת CH, מתיחה Si-O-Si, Si-O מתיחה, ו- Si-O כיפוף, בהתאמה, אשר הציע את השינוי המוצלח של APTES כדי לכסות את פני השטח של Fe 3 O 4 חלקיקים. Fe-O רטט פסגות (584 ס"מ -1 ) נצפו גם PNIPAAm / Fe 3 O 4 3 O 4- NH 2 . עם זאת, עוצמת יחסי של רטט Fe-O היה גבוה יותר PNIPAAm / Fe 3 O 4 מאשר כי PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , אשר גם תמכו התיאור שלנו של הרכב, כי פיזור המים טוב יותר הובילה הפצה מבנית טובה יותר. לאחר תהליך הטעינה, פסגות ספיגה אופייני של כורכומין ב 1509 ו 3511 ס"מ -1 בהתייחסו כימותרפיה C = C ו- OH מתיחה, בהתאמה, הופיע בספקטרום FT-IR של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , אשר הצביע על אנקפסולציה מוצלחת של הכורכום.

התמונות של מיקרוגלים שונים ב 25 ° C או 70 ° C מוצגים באיור 4 , שבו פתרונות חלביים וחומים מייצגים את הצבירה של PNIPAAm ותחמוצות ברזל, בהתאמה. לעומת דמויות 4 א - c , לא היו כל הצטברות גלוי בבירור PNIPAAm, PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , ו CurIP PNIPAAm / Fe3O 4 -NH 2 פתרונות בטמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס). פתרון PNIPAAm ו microgels מגנטי מכן הפך אטום כאשר הפתרונות היו מחוממים גבוה יותר LCST של PNIPAAm כפי שמוצג באיור 4 ד - ו . שני המיקרו-גלים המגנטיים היו חלביים, אך התפזרו ללא משקעים, והדבר הצביע על הפיזור הגדול והחיבור הגופני החזק בין PNIPAAm, Fe 3 O 4- NH 2 לכורכומין. כפי שניתן לראות בתרשים 5 , ניתן לאסוף בקלות את המיקרו-מגנטים המגנטיים בעזרת המגנט ולפזרם מחדש לתמיסה המימית, ללא כל צבירה לאחר הסרת המגנט. התוצאות הראו כי אלה microgels מגנטי יכול להיות מיושם על מערכת מימית משלוח כמו גוף האדם fאו יישומים קליניים.

התנהגויות שחרור חוץ גופית של מיקרוגלים מגנטיים נצפו באמצעות HFMF. הציוד הניסוי להגדיר מוצג באיור 6 , שם צינור צנטריפוגה צריך להיות במרכז סליל הנושא את השדה המגנטי. המשקעים החומים הממוקמים במרכז הצינור היו המיקרוגלים המגנטיים, אשר הופרדו מהפתרונות תחת טיפולי HFMF.

אחוז השחרור המגנטי עם או בלי HFMF היה פיקוח והוא מוצג בתרשים 7 . בהשוואה לאחוז השחרור ללא HFMF בתוך תקופות זהות (20 דקות), אחוז השחרור עלה פי 2.5 בטיפול ב- HFMF, והטמפרטורה של פתרון בתפזורת יכולה לעלות ל -50 מעלות צלזיוס בו זמנית. בשל הכלאה של פולימרים תרמו רגישים, PNIPAAm, microgels מגנטי יכוללסחוט את התרופה encapsulated (Cur), כתוצאה מטריצת פולימר PNIPAAm הופכים הידרופובי ולאחר מכן מצומדות תחת טמפרטורה גבוהה (50 מעלות צלזיוס). בינתיים, כורכומין יכול להשתחרר כדי להשיג את הטיפול נגד סרטן על ידי החלת HFMF. חימום מקומי מאינדוקציה מגנטית על HFMF יכול להרוס את הכריכה בין Cur ו- PNIPPAm, למרות שהקור הידרופובי צפוי להיקשר ל- PNIPPAm הידרופובי בטמפרטורות גבוהות. יתר על כן, שינוי נפח (מ hydrophilic כדי הידרופובי וטמפרטורה נמוכה עד גבוהה) של microgels מגנטי גם לסחוט את Cur.

עליית הטמפרטורה של הפתרון בתפזורת נרשמה ומוצג באיור 7 כמו עקומה אדום עם סמל היהלום. כפי שמוצג, הטמפרטורה הראשונה עם הזמן חימום ו plateaued לאחר 14 דקות. הרמה צריכה להיות הרוויה של חימום אינדוקטיבי מגנטי (היפרתרמיה)במים הכבדים. עם זאת, הטמפרטורה המקומית צריכה להיות גבוהה מספיק כדי לסחוט את Cur.

איור 1
איור 1. תהליך סינתזה סכמטי עבור PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2 Microgels.
מערבבים את PNIPAAm, Fe 3 O 4- NH 2 , ו PEI יחד לחמם את התערובת עד 70 ° C כדי להציג H- מליטה להכנת microgel. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. תמונות TEM של פתרונות PNIPAAm ו Microgels מגנטי. א) PNIPAAm, ב) Fe 3 O 4 , c) PNIPAAm / Fe 3 O 4 , ד) PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , ו ה) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 . תמונות TEM נלקחו כדי לפקח על פיזור ומורפולוגיה של דגימות. דגימות TEM הוכנו ב RT. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. FT-IR ספקטרה של PNIPAAm, Fe 3 O 4- NH 2 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 , PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , ו Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 . המיקרו-מיקרים המסונתזים היו משולבים עם קבר ונלחצו לתוך גלולות. FRIR הוחל אז כדי להבהיר את האינטראקציות oF PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PEI, וכורכומין על ידי ניטור השינויים הקליטה של ​​קבוצות תפקוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. מימית פיזור היכולות של microgels מתחת ומעל LCST: א) PNIPAAm, ב) PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , ו ג) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 ב 25 ° C. ד) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 , ו) קור- PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ב 70 מעלות צלזיוס. הפתרונות המדגם הוכנו ב RT מחומם עד 70 מעלות צלזיוס. התמונהגרפים נלקחו תחת RT ו 70 ° C כדי לבחון את פיזור המים של microgels מסונתז. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. אוסף של מיקרוסקלים מגנטיים מכורכומין של כורכום על ידי מגנט. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 היו מפוזרים בתמיסה מימית (משמאל) שנאספו על ידי מגנט (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. מכשיר ניסיוני מגנטי טריג גרד עם HFMF. הטבעת הלבנה היא סליל הנחושת. הצינור צנטריפוגה המכיל את microgels מגנטי מוצג. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. שליטה מבוקרת של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 מיקרוגלים ב pH 7.4 עם (סמל מרובע) ובלי (סמל מעגל) HFMF. אחוז שחרור הכורכום של מיקרוגלים מגנטיים עם (שחור, ריבועים) ובלי (שחור, עיגולים) החלת ה- HFMF מוצג. עליית הטמפרטורה של Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 microgels עם HFMF מוצג אדום (יהלום). ברים שגיאה מייצג SD.= "_ Blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

דגימות PNIPAAm (%) Fe 3 O 4 (%)
PNIPAAm / Fe 3 O 4 32.37 68.63 (Fe 3 O 4 )
PNIPAAm / Fe 3 O 4- NH 2 68.56 31.44 (Fe 3 O 4- NH 2 )

טבלה 1. הרכב יחסית (משקל%) של חלקיקים מגנטיים ו PNIPAAm של microgels. ההרכב היחסי של המיקרוגלים המגנטיים חושב באמצעות ניתוח TGA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השלבים החשובים ביותר של ההכנה הם בפרוטוקול סעיף 2, עבור סינתזה של microgels מגנטיים על ידי תחליב תרמו המושרה. כפי שניתן לראות בתרשים 2 (תמונות TEM), מבנה כדורית של microgels יכול להישמר ב RT (נמוך יותר LCST) בשל crosslinking פיזית הנובעת H- מליטה חזקה בין PNIPAAm (קבוצות amide), PEI (קבוצות amine) ו Fe 3 O 4- NH 2 (amine קבוצות). בהתבסס על ההשוואה בתרשים 4 , המיקרו-מגנטים המפוזרים היטב בטמפרטורות נמוכות (25 ° C) או בטמפרטורה גבוהה (70 ° C). Microgels ניתן גם לאסוף על ידי מגנט מחדש התפזרו לפתרון הומוגני כפי שמוצג באיור 5 .

הכנה מסורתית של הידרוגז מסונתז עם מונומרים הידרופובי הידרופילי בדרך כלל דורש את ההקדמה של סוכני crosslinking להשיג 3Dרשתות 4 , 5 , 6 , 7 . עם זאת, crosslinking סוכנים קשה להסיר ולעיתים קרובות לגרום תופעות לוואי ביישום שלהם.

PNIPAAm יכול לצבור או להרכיב את עצמי לתוך חלקיקים תחת טמפרטורה גבוהה וגם להתפזר מחדש לפתרון הומוגני כאשר הטמפרטורה נמוכה יותר LCST שלה. Crosslinking ושינוי כימי מועסקים לעתים קרובות להכנת ההידרוגל כדי למנוע את קריסת רשתות 3D. תרמי- Induced crosslinking באמצעות מליטה מימן מוחל כאן כדי להחליף תגובות כימיות, ובכך לפשט את תהליך הסינתזה וההכנה.

קריטי להצלחה של ייצור hydrogel הם תהליך פילמור- ו crosslinking ללא אנקפסולציה של תרופות הידרופובי. ללא פילמור, הידרוגל יכול להסיר את יוזמי מונומרים unreacted כי לעתים קרובות להובילכדי רעילות חזקה. כאן, הצלחנו בהצלחה את הפיזור ואת אנקפסולציה של תרכובות אנאורגניות (תחמוצת ברזל) ומולקולות הידרופובי (כורכומין) באמצעות שינוי פני השטח ואת הממס הקדמה.

באמצעות מבחני מבחנה חוץ גופית ( איור 7 ), מצאנו כי מיקרוגלים מגנטיים היה גידול יעיל של שני הטמפרטורה ואת אחוז השחרור של השדה המגנטי חיצוני (HFMF) על ידי אפקט מגנטי אינדוקטיבי חימום (היפרתרמיה). עם המאפיינים הנ"ל, אלה micipels מגנטי PNIPAAm מבוסס הם מועמדים פוטנציאליים עבור מגנטית ו מופעלת תרמית, ממוקד משלוח של טיפול בגידול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין למחברים שום דבר לגלות.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה כספית על ידי משרד המדע והטכנולוגיה של טייוואן (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2), ונתמך באופן חלקי על ידי המכון למדעי האטום והמולקולה, אקדמיה סיניקה.

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

הנדסת ביו-הנדסה גליון 125 שחרור מגנטי פולי ( חלקיקי תחמוצת ברזל כורכום פולימרים מגנטיים ו רגישים תרמית תחליב תרמו- Induced
מגנטי תרמי רגיש פולי (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) מבוססי microgels עבור מגנטית מופעל מבוקר שחרור
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