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Bioengineering

자기 및 열에 민감한 폴리 ( doi: 10.3791/55648 Published: July 4, 2017

Summary

이 원고는 화학 반응이없는 온도 유도 유제를 통한 자성 및 열에 민감한 마이크로 젤의 제조를 설명합니다. 이 민감한 마이크로 젤은 자기 적 및 열적으로 유발 된 약물 방출에 잠재적 인 용도로 폴리 ( N- 이소 프로필 아크릴 아미드 ) (PNIPAAm), 폴리에틸렌 이민 (PEI) 및 Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자를 혼합하여 합성되었습니다.

Abstract

캡슐화 된 항암제 인 curcumin (Cur)이 함유 된 자기 및 열에 민감한 폴리 ( N- isopropylacrylamide) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 마이크로 겔을 자력으로 방출되는 방출을 위해 설계하고 제작했습니다. PNIPAAm, PEI (polyethylenimine) 및 Fe 3 O 4 -NH 2 자성 나노 입자를 혼합하여 물리적 가교 결합시킨 온도 유도 유제를 통해 구형 구조의 PNIPAAm 기반 자성 마이크로 젤을 제조했습니다. 그들의 분산 때문에, Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자는 중합체 매트릭스 내부에 매립되었다. Fe 3 O 4 -NH 2 및 PEI 표면에 노출 된 아민 기는 PNIPAAm의 아미드 기와 물리적으로 가교 결합하여 구형 구조를지지했다. 소수성 항암제 인 curcumin은 microgels에 캡슐화 한 후 물에 분산시킬 수 있습니다. 마이크로 겔의 특징을 규명투과 전자 현미경 (TEM), 푸리에 변환 적외 분광법 (FT-IR) 및 UV-Vis 스펙트럼 분석에 의해 분석 하였다. 또한, 외부에서 고주파 자기장 (HFMF) 하에서 자기 적으로 방출되는 방출이 연구되었다. 자기 유도 가열 (고열) 효과로 인해 HFMF를 마이크로 겔에 적용한 후에 커큐민의 현저한 "폭발 방출"이 관찰되었습니다. 이 원고는 잠재적으로 종양 치료에 적용될 수있는 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 캡슐화 된 curcumin의 자기 적으로 제어 된 방출을 설명합니다.

Introduction

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하이드로 젤은 용해가 불가능하지만 수용액에서 팽창 할 수있는 3 차원 (3D) 고분자 네트워크입니다. 중합체 네트워크는 친수성 도메인 (하이드로 겔 구조를 제공하기 위해 수화 될 수 있음) 및 가교 결합 (네트워크의 붕괴를 방지 할 수 있음)을 갖는다. 유제 중합, 음이온 공중합, 인접한 고분자 사슬의 가교 결합 및 역 마이크로 유제 중합과 같은 하이드로 겔 제조를위한 다양한 방법이 연구되어왔다. 구조적으로 안정한 하이드로 겔 1 , 3 을 얻기 위해 물리적 및 화학적 가교 결합이 이러한 방법을 통해 도입됩니다. 화학적 가교는 일반적으로 중합체의 주쇄 또는 측쇄를 연결하는 가교 결합제의 참여를 필요로한다. 화학 가교 결합에 비해, 물리적 가교 결합은 fabr에 더 ​​나은 선택입니다 가교제의 사용을 피하기 때문에 하이드로 젤을 사용한다. 이온 상호 작용, 결정화, 양친 매성 블록들 사이의 결합 또는 고분자 사슬상의 그 래프팅 및 수소 결합 4,5,6,7과 같은 가교 결합과 같은 물리적으로 가교 결합 된 하이드로 겔을 합성하기위한 몇 가지 접근법이 연구되었다.

다양한 환경 조건 ( , 온도, pH, 빛, 이온 세기 및 자기장)에 반응하여 구조적, 화학적 또는 물리적 특성 변화를 겪을 수있는 자극에 민감한 중합체는 최근 제어 방출 시스템의 잠재적 플랫폼으로 주목을 받았다 , 약물 전달 및 항암 치료 8 , 9 ,PNIPAAm은 친수성 아미드 기와 소수성 이소 프로필 기 모두를 함유하고 열적으로 민감한 중합체로 낮은 임계 용액 온도를가집니다. (xref "> 10 , 11 , 12) 연구원들은 고유 온도가 쉽게 조절 될 수있는 열 민감성 중합체에 초점을 맞추고 있습니다. (LCST) 13. 아미드 기와 물 분자 사이의 수소 결합은 저온 (LCST 이하)에서 수용액에서의 PNIPAAm의 분산을 제공하는 반면 고분자 사슬 사이의 수소 결합은 고온 (LCST 이상)에서 일어나며 물을 배제 함 이러한 독특한 성질과 관련하여, 공중 합체, 그래프트 또는 측쇄와 같은 중합체 사슬 길이의 소수성 및 친수성 비를 조절함으로써 온도 - 촉발되고 자기 - 조립 된 하이드로 겔을 제조하기위한 많은보고가 발표되었다 의약품 용 사슬 수정칼 플랫폼 ( 14 , 15 , 16 , 17)을 포함한다 .

철, 코발트 및 니켈과 같은 자성 재료는 지난 수십 년 동안 생화학 분야에서 주목을 받아 왔습니다 18 . 이러한 후보 물질 중 산화철은 안정성과 독성이 낮기 때문에 가장 널리 사용됩니다. 나노 크기의 산화철은 자기장에 즉각적으로 반응하고 초 상자성 원자처럼 행동합니다. 그러나, 그러한 작은 입자는 쉽게 집합한다. 이는 표면 에너지를 감소 시키므로 분산을 잃게됩니다. 수분 - 분산 성을 향상시키기 위해, 층을 보호하기위한 그라프 팅 또는 코팅은 안정성을 위해 각각의 개별 입자를 분리하는 것뿐만 아니라 반응 부위를 더 기능화하는 데에도 일반적으로 적용됩니다.

여기에서는 자기 PNIPAAm 기반 마이크로젤은 방출 제어 시스템을위한 약물 운반체 역할을합니다. 합성 과정은 그림 1 에 설명되어 있습니다. 복잡한 공중합 및 화학적 가교 결합 대신에, PNIPAAm의 새로운 온도 - 유도 에멀젼과 물리적 가교가 추가의 계면 활성제 또는 가교제없이 마이크로 젤을 얻기 위해 사용되었다. 이것은 합성을 단순화시키고 원하지 않는 독성을 방지한다. 이러한 간단한 준비 프로토콜 내에서, 합성 된 미크로 겔은 자성 산화철 나노 입자 및 소수성 항암제 인 커큐민 모두에 수분 산성을 제공했다. FT-IR, TEM 및 영상은 분산 및 캡슐화의 증거를 제공했습니다. 내포 된 Fe 3 O 4 -NH 2 때문에, 자기 마이크로 겔은 HFMF 하에서 제어 방출을위한 마이크로 장치로서의 역할을했다.

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Protocol

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1. 표면 개질 된 수분 산성 자성 나노 입자, Fe3O4 및 Fe3O4-NH2의 합성

  1. 500 mL 비이커에 14.02 g의 FeCl3, 8.6 g의 FeCl2 · 4H2O 및 250 mL의 물을 첨가한다.
  2. 로터와 컨트롤러를 연결하여 정비사를 저어 주십시오. 실온 (RT)에서 30 분 동안 300 rpm으로 용액을 섞는다.
  3. 실온에서 용액에 수산화 암모늄 (33 %) 25 mL를 넣고 30 분 동안 저어 준다 (300 rpm). 비커를 열어 두십시오.
    주의 : 수산화 암모늄은 흡입시 코 자극을 유발할 수 있습니다. 이 단계는 적절한 흄 후드 안에서 수행되어야합니다.
  4. 자성 산화철 (Fe 3 O 4 )을 수집하려면 정비사를 꺼내십시오. 검은 입자를 수집하기 위해 비커 아래에 자석을 넣으십시오.
    1. Fe 3 O 4 나노 입자가 완전히 침전 된 후 조심스럽게 상층 액을 제거한다. b를 흔들지 마십시오.Fe 3 O 4의 손실을 피하기 위해 상층 액을 부은 동안.
    2. 자석을 제거하고 비커에 담수 50 mL를 넣는다.
    3. 비커를 흔들어 Fe 3 O 4 를 재 분산시킵니다. Fe 3 O 4 를 정제하기 위해 1.4에서 1.4.2 단계를 세 번 반복하십시오.
  5. 마지막 세척 후 모든 Fe 3 O 4 (10g)를 100mL 유리 병에 옮기십시오. 총 용액 부피가 100 mL가 될 때까지 물을 첨가한다. 덩어리가 보이지 않을 때까지 유리 병을 격렬하게 흔든다.
    참고 : 여기서 프로토콜을 일시 중지 할 수 있습니다. Fe 3 O 4 나노 입자가 제조된다.
  6. 아미노 실란 (Fe 3 O 4 -NH 2 )으로 Fe 3 O 4를 변경하십시오 .
    1. 1.5 단계에서 얻은 100-mL 용액을 취하여 1,000-mL 비이커에 옮긴다. 비커에 암모니아 용액 10 mL, 물 90 mL 및 에탄올 900 mL를 넣는다.
    2. 자기 교반 막대를 사용하여 용액을300 rpm. RT에서 비커에 (3- 아미노 프로필) triethoxysilane (APTES) 500 μL를 적가하고 12 시간 더 저어 준다.
  7. 1.4 절에서 설명한대로 Fe 3 O 4 -NH 2 를 정제하고 수거하십시오.
  8. 물 20 mL가 든 20 mL 유리 병에 Fe 3 O 4 -NH 2 (1.7 단계) 1 g을 재 분산시킨다.
    참고 : 여기서 프로토콜을 일시 중지 할 수 있습니다. Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자가 준비된다.

2. 열 유도 유제에 의한 유기 - 무기 하이브리드 마이크로 젤의 합성

  1. 용액 1-1 및 1-2의 제조.
    1. 용액 1-1의 경우, 0.25 mL의 PNIPAAm, 5 mL의 Fe 3 O 4 용액 (단계 1.5에서), 0.2 g의 PEI를 50 mL 유리 병에 넣으십시오. 물 20 mL를 넣고 자석 교반 막대를 사용하여 300 rpm으로 30 분간 저어 준다.
    2. 용액 1-2의 경우 2.1.1 단계를 반복하되 Fe 3O 4 를 Fe3 O 4 -NH 2 용액 (단계 1.8로부터).
  2. 용액 2 를 준비하려면 PEI 0.8 g과 물 18.2 mL를 50 mL 유리 병에 넣으십시오. 용액을 70 ° C로 30 분간 가열하기 위해 수욕을 사용하십시오. 솔루션 2 의 두 번째 병을 준비하십시오.
  3. PNIPAAm / Fe 3 O 4의 제조 .
    1. 초음파 세포 파괴 장치 (sonicate) (50 w), 교반 용 자석 교반 막대 (magnetic stirring bar) (300 rpm) 및 용액 2 (70 ° C) 가열 용 수 욕조를 사용하십시오.
    2. 가열 된 용액 2에 용액 1을 1 mL / min의 속도로 3 mL 주사기를 사용하여 적가한다.
    3. 70 ° C에서 30 분 동안 초음파 처리, 교반 및 가열을 계속하십시오.
    4. 용액을 실온으로 식힌다. 세포 disruptor과 물 목욕에서 솔루션을 제거합니다.
    5. 유리 병에 자석을 가까이 배치하여 microgels을 수집합니다.
    6. 뜨는 제거 af그 마이크로 겔이 유리 병의 바닥으로 침전되었다.
    7. 유리 병에 물 25 mL를 더 넣고 vortexing하여 microgels을 재 분산시킨다. 이 솔루션은 PNIPAAm / Fe 3 O 4 입니다.
      참고 : 여기서 프로토콜을 일시 중지 할 수 있습니다.
  4. PNIPAAm / Fe3O4-NH2의 제조.
    1. 초음파 세포 파괴 장치 (sonicate) (50 w), 교반 용 자석 교반 막대 (magnetic stirring bar) (300 rpm) 및 용액 2 (70 ° C) 가열 용 수 욕조를 사용하십시오.
    2. 1mL / min의 속도로 3mL 주사기를 사용하여 가열 된 용액 2에 용액 1-2 를 적가합니다.
    3. 70 ° C에서 30 분 동안 초음파 처리, 교반 및 가열을 계속하십시오.
    4. 용액을 실온으로 식힌다. 세포 disruptor과 물 목욕에서 솔루션을 제거합니다.
    5. 유리 병에 자석을 가까이 배치하여 microgels을 수집합니다.
    6. 마이크로 젤이 침전되면,상층 액.
    7. 유리 병에 물 25 mL를 더 넣고 vortexing하여 microgels을 재 분산시킨다. 이 용액은 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 입니다.
      참고 : 여기서 프로토콜을 일시 중지 할 수 있습니다.

Curcumin-loaded Microgels (Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 )

참고 :이 단계는 어두운 곳에서 수행해야합니다.

  1. 유리 병 20 mL에 Cur 100 mg과 에탄올 20 mL를 넣는다.
  2. 2 mL의 Cur 용액을 취하여 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액으로 옮긴다 (단계 2.4.7). 400 rpm 및 실온에서 밤새 교반하십시오.
  3. 400 rpm과 RT에서 밤새 교반 한 후 자석을 사용하여 2.4.5 및 2.4.6 단계에서 설명한대로 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 를 수집합니다.
  4. 유리 병에 물 25 mL를 더 넣고 vortexing하여 microgels을 재 분산시킨다. 이 해법은 C ur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2.

4. 자기 적으로 유발 된 약물 방출

  1. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액 10 mL를 옮기고 15 mL 원심 분리 관에 물 2 mL를 넣는다.
  2. HFMF 20 을 적용하기 위해 원심 분리 튜브를 코일의 중앙에 놓습니다. 15 kHz에서 20 분간 HFMF를 적용하십시오.
  3. HFMF 용액 0.5 mL를 빼내고 HFMF를 적용하면서 2 분 간격으로 신선한 물 0.5 mL로 교체하십시오.
  4. 철회 한 용액을 1mL 큐벳으로 옮긴다.
  5. 482 nm에서 UV / Vis로 철회 용액의 흡수를 측정하십시오 21 .
  6. 표준 검량선 22 의 흡수와 농도의 관계를 사용하여 방출 된 약물의 농도를 결정하십시오.
    참고 : 표준 교정 관계는 다음과 같습니다.
    s / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    여기서 상관 계수는 0.9993입니다.

5. 자석 Microgels의 특성

  1. 열 중량 분석기 (TGA) 23 .
    1. PNPAAm / Fe 3 O 4 와 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 의 체중 감 소를 TGA에 의한 대기 대기 온도를 측정하십시오.
      1. RT에서 100 ° C로 샘플을 가열하고 습도를 제거하기 위해이 온도에서 10 분간 유지합니다. 100 ° C에서 800 ° C로 10 ° C / 분의 속도로 시료를 가열합니다. 샘플의 무게를 잰다.
      2. PNIPAAm / Fe 3 O 4 와 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 의 체중 감량 온도를 플롯합니다.
        참고 : 잔류 무게는 Fe 3 O 4 또는 Fe 3 O 4 -NH 2 이며, 분실 무게는 PNIPAAm입니다.
  2. FT-IR"> 24.
    1. 100 mg의 KBr 1 g을 넣고 시료 10 mg을 밤새 건조시킨다.
    2. 다음 단계 (5.2.2.1 - 5.2.2.5)에서 설명한대로 단계 5.2.1의 혼합물을 펠릿으로 누릅니다 :
      1. 박격포와 유봉을 사용하여 단계 5.2.1의 물질을 미세 분말로 분쇄한다.
      2. 조립 된 장치 (모르타르 및 유봉)를 펠렛 프레스에 놓습니다. 프레스의 정확한 가운데에 장치를 정렬하십시오.
      3. 20,000 psi의 압력에 도달 할 때까지 프레스를 펌핑하십시오. 펠렛이 5 분 동안 그 압력에 앉도록하십시오.
        주의 : 프레스의 정확한 중간에 장치를 정렬하십시오. 그렇지 않으면 시료가 박격포에서 분산되어 노출로 인해 부상을 입을 수 있습니다.
      4. 프레스에서 펠렛과 피스톤이 포함 된 다이를 제거합니다.
      5. 그것을 뒤집어 놓고 피스톤을 펌핑하여 펠릿을 강제로 배출하십시오.
    3. 400 ~ 4,000 cm -1 범위의 주파수에서 FT-IR을 사용하여 시료의 FT-IR 흡수 스펙트럼을 기록합니다. -1 해상도 24 .
  3. TEM에 의한 형태 학적 관찰 25 .
    1. 콜로 디온으로 코팅 된 구리 격자 위에 시료 용액을 떨어 뜨린 다음 RT 또는 70 ° C 오븐에서 밤새 건조시킵니다.
    2. TEM 이미지를 찍습니다.
      참고 : 강한 전자빔은 시료를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 TEM 이미지는 가능한 한 신속하게 촬영해야합니다.
  4. 중합체 및 마이크로 겔의 수계 - 분산 능력.
    1. PNIPAAm 용액을 준비하려면 7 mL 유리 병에 7 mg의 PNIPAAm과 7 mL의 물을 넣으십시오. 응집체가 없을 때까지 용액을 섞을 때 와류를 사용하십시오.
    2. PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액을 준비하려면 0.7 mL의 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액 (단계 2.4.7)을 7 mL 유리 병에 옮기고 6.3 mL의 물을 넣으십시오. 침전이 없을 때까지 용액을 섞을 때 와동을 사용하십시오.
    3. Cur-PNIPAA 준비하기m / Fe 3 O 4 -NH 2 용액을 넣고 7 mL 유리 병에 0.7 mL의 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액 (단계 3.4)을 옮기고 6.3 mL의 물을 넣는다. 침전이 없을 때까지 용액을 섞을 때 와동을 사용하십시오.
    4. 디지털 카메라를 사용하여 솔루션 사진 (5.4.1 - 5.4.3 단계)을 촬영하십시오.
    5. 용액을 오븐에 넣고 온도를 70 ° C로 맞 춥니 다. 평형 상태가 될 때까지 2 시간 정도 기다리십시오.
    6. 해결책에 대한 다른 사진을 찍으십시오. 온도를 유지하려면 1 분 안에 사진을 찍으십시오. 유리 병을 흔들면 침전물이 재 분산 될 수 있습니다.
  5. microgels의 자기 수집을 위해 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 용액 (단계 5.4.3)에 강한 자석을 가깝게 놓습니다. 마이크로 젤이 완전히 수집 될 때까지 기다린 다음 사진을 찍으십시오.
    1. 완전히 분산 될 때까지 자석을 제거하고 마이크로 젤 용액을 볼텍스합니다. 다른 사진 찍기 </ li>

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Representative Results

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PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2 microgels의 합성을위한 도식은 그림 1에 나와 있습니다. TGA는 전체 마이크로 겔에 대한 유기 화합물의 상대적 조성을 평가하기 위해 적용되었다. 유기 화합물 PNIPAAm만이 연소 될 수 있기 때문에, PNIPAAm과 Fe3O4 (또는 Fe3O4-NH2)의 상대적 조성을 결정하였고 표 1나타내었다 . 왜 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 마이크로 젤이 더 우수한 분 산성을 나타내지 만 산화철의 함량은 더 낮습니까? PNIPAAm / Fe 3 O 4 보다 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2의 상호 작용이 강하고 분산이 잘 이루어지기 때문에 Fe 3 O 4 -NH 2 는 PNIPAAm을 Fe 3 O 4 보다 가교 결합시키기가 쉽다. 그 결과, PNIPAAm / Fe 3 O 2 미세 겔은 PNIPAAm / Fe 3 O 4 보다 훨씬 높다. 수거 공정 (단계 2.3.3 - 2.3.5 및 2.4.3 - 2.4.5)으로 인해 microgels와 자성 산화철 만 자기 흡수 수 있기 때문에 un crosslinked PNIPAAm은 상등액과 함께 제거되었습니다. 결과적으로, 마이크로 겔에서의 PNIPAAm의 중량 백분율은 32.37 % (PNIPAAm / Fe3O4) 및 68.56 % (PNIPAAm / Fe3O4-NH2)이다. Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자는 Fe 3 O 4 나노 입자와 비교하여 훨씬 더 많은 PNIPAAm을 물리적으로 가교 결합시킬 수 있습니다.

PNIPAAm 용액 및 자성 마이크로 젤의 TEM 이미지는 실온에서 디지털 카메라로 촬영했습니다. 그림 2a 에서와 같이 실온에서 순수한 PNIPAAm 용액에는 특별한 구조가 없습니다. 그러나, 규칙적인 구형 산화철 partiPNIPAAm과 PEI 사이의 수소 결합으로 인한 물리적 가교의 증거를 제공하는 PNIPAAm / Fe 3 O 4 ( 그림 2c )와 PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( 그림 2d ) 마이크로 겔 모두에서 cles ( 그림 2b ) . 대부분의 Fe 3 O 4 나노 입자는 PNIPAAm 기반 매트릭스의 표면에만 흡착 될 수 있으며 응집체 클러스터를 생성한다 ( 그림 2c ). 그러나 APTES로 수정 된 산화철 나노 입자 인 Fe 3 O 4 -NH 2 는 Fe 3 O 4 나노 입자와 비교하여 수분 분산력이 더 우수하고 자성 나노 입자의 크기가 작기 때문에 입자에 삽입 될 수 있습니다 ( 그림 3d ). Curcumin을 넣은 후, Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( Figure 2e)는 Cur의 소수성 때문에 자성 마이크로 겔보다 훨씬 더 고립되어있다. 그 결과는 또한 Cur가 내부 캡슐화되었을뿐만 아니라 마이크로 젤의 표면에 흡수되었음을 제시합니다.

Microgel 제조 및 치료 - 분자 캡슐화는 그림 3 에서와 같이 FT - IR 분석에 의해 확인되었습니다. 참고 문헌 19 , 26 의 Fe 3 O 4 와 비교하여 2927, 1203, 987 및 472 cm -1 에서 새로 나타난 흡수 피크는 CH 신축, Si-O-Si 신축, Si-O 신축 스트레칭 및 Si-O 굽힘을 각각 나타내어 Fe3O4 나노 입자의 표면을 덮는 APTES의 성공적인 변형을 제안했습니다. Fe-O 진동 피크 (584 cm -1 )는 또한 PNIPAAm / Fe3O4 3 O 4 -NH 2의 FT-IR 스펙트럼에서 방향족 C = C 굴곡 및 OH 신축을 각각 나타내는 1509 및 3511 cm -1 에서의 커큐민의 특성 흡수 피크가 나타났다. curcumin을 성공적으로 캡슐화했다.

25 ° C 또는 70 ° C에서의 다양한 마이크로 젤의 사진이 그림 4 에 나와 있으며, 유백색과 갈색 용액은 각각 PNIPAAm과 산화철의 응집체를 나타냅니다. 그림 4a - 3 O 4 -NH 2 및 Cur-PNIPAAm / Fe3O 4 -NH 2 용액에는 명백하게 눈에 띄는 응집체가 없었습니다. PNIPAAm 용액과 자성 마이크로 겔은 그림 4d - f 와 같이 용액이 PNIPAAm의 LCST보다 높게 가열되었을 때 불투명 해졌다. 두 가지 자성 미크로 젤은 유백색이지만 침전없이 분산 되었기 때문에 PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 와 curcumin의 결합력이 강하고 물리적으로 강했다. 도 5에 도시 된 바와 같이, 마그네틱 마이크로 겔은 자석으로 쉽게 수집 될 수 있고 자석을 제거한 후에 응집되지 않고 수용액에 재 분산 될 수있다. 결과는 이러한 마그네틱 마이크로 겔이 인체와 같은 수성 전달 시스템에 잠재적으로 적용될 수 있음을 나타냅니다. f또는 임상 적용.

자성 마이크로 겔의 체외 방출 거동은 HFMF를 통해 모니터링되었다. 그림 6 은 원심 튜브가 자기장을 지닌 코일의 중심에 있어야하는 실험 장치 구성을 보여줍니다. 튜브 중앙에 위치한 갈색 침전물은 HFMF 처리로 용액으로부터 분리 된 자성 마이크로 젤이었다.

HFMF 유무에 따른 자기 방출률을 모니터링하여 그림 7에 나타내었다. 동일한 기간 (20 분) 내 HFMF없는 방출의 백분율과 비교하여, HFMF 처리 하에서 방출 백분율은 2.5 배 증가하였고, 동시에 벌크 용액의 온도는 50 ℃ 이상으로 상승 할 수 있었다. 감 열성 고분자 인 PNIPAAm의 봉입으로 인해 자성 마이크로 겔은PNIPAAm 폴리머 매트릭스가 소수성이 된 후 캡슐화 된 약물 (Cur)을 짜내고 고온 (50 ℃)에서 컨쥬 게이션합니다. 한편, HFMF를 적용하여 항암 요법을 완수하기 위해 커큐민을 방출 할 수 있습니다. HFMF상에서 자기 유도로부터의 국부 가열은 소수성 Cur가 고온에서 소수성 PNIPPAm에 결합 할 것으로 예상 되더라도, Cur과 PNIPPAm 사이의 결합을 파괴 할 수있다. 또한, 자성 마이크로 겔의 체적 변화 (친수성에서 소수성으로,보다 낮은 온도에서보다 낮은 온도로)는 또한 Cur을 압착 할 것이다.

벌크 용액의 온도 증가를 기록하고 도 7 에 다이아몬드 기호가있는 적색 곡선으로 나타내었다. 도시 된 바와 같이, 온도는 가열 시간에 따라 증가하고 14 분 후에 고원을 형성한다. 고원은 자기 유도 가열 (고열)의 포화 상태 여야합니다.벌크 물에. 그러나 국지화 된 온도는 Cur를 압착 할만큼 충분히 높아야합니다.

그림 1
그림 1. PNIPAAm / PEI / Fe3O4 -NH2 Microgels의 도식 합성 과정.
PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 및 PEI를 함께 섞어 70도까지 가열하여 마이크로 겔 조제품에 H 결합을 도입하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. PNIPAAm 솔루션 및 마그네틱 Microgels의 TEM 이미지. a) PNIPAAm, b) Fe 3 O 4 , c) PNIPAAm / Fe3O4, d) PNIPAAm / Fe3O4-NH2, 및 e) Cur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2. TEM 이미지는 샘플의 분산 및 형태를 모니터하기 위해 취해졌다. TEM 샘플은 실온에서 준비되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3. PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 및 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2의 FT-IR 스펙트럼. 합성 된 그대로의 마이크로 겔을 KBr과 혼합하고 펠렛으로 압축 하였다. FRIR을 적용하여 상호 작용을 명확히 하였다.f PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PEI 및 curcumin의 농도를 측정 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
그림 4. LCST 아래 및 위에있는 마이크로 젤의 수 분산능 : a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , 및 c) 25 ℃에서 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . d) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , 및 f) 70 ℃에서 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . 샘플 용액은 실온에서 준비하고 70 ° C까지 가열합니다. 사진합성 된 마이크로 젤의 수분 산성을 관찰하기 위해 그래프를 RT 및 70 ℃에서 촬영 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
그림 5. 자석에 의한 Curcumin 장착 마그네틱 마이크로 젤의 수집. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 를 수용액 (왼쪽)에 분산시키고 자석에 의해 수집 하였다 (오른쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 6
그림 6. 자기장의 실험 장치 HFMF와 함께 gered 릴리스. 흰색 링은 구리 코일입니다. 자성 마이크로 겔을 함유하는 원심 분리 튜브가 도시되어있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7
그림 7. (사각형 기호) 및 HFMF없이 (원 기호) pH 7.4에서 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 마이크로 겔의 제어 방출. HFMF를 적용한 자성 마이크로 젤의 쿠루 쿠민 방출 백분율 (검은 색, 네모 진)과 검은 색 (동그라미)이 표시되어 있습니다. HFMF가있는 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 마이크로 겔의 온도 증가는 적색 (다이아몬드)으로 표시됩니다. 오류 막대는 SD를 나타냅니다.= "_ blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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

표 1. Microgels에서 자기 Nanoparticles 및 PNIPAAm의 상대적 조성 (% 무게). 자기 미세 겔의 상대 조성은 TGA 분석을 사용하여 계산되었다.

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Discussion

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준비의 가장 중요한 단계는 thermo-induced emulsions에 의한 자기 microgels의 합성에 대한 프로토콜 섹션 2에 있습니다. 그림 2 (TEM 이미지)에서 볼 수 있듯이, 마이크로 겔의 구형 구조는 PNIPAAm (아미드 그룹), PEI (아민 그룹) 사이의 강한 H- 결합으로 인한 물리적 가교로 인해 RT (LCST보다 낮음) 및 Fe3O4-NH2 (아민 기)를 포함한다. 그림 4 의 비교에 따르면, 자성 마이크로 겔은 낮은 온도 (25 ℃) 또는 높은 온도 (70 ℃)에서 잘 분산되어있다. 마이크로 겔은 자석으로 수집하여 그림 5 와 같이 균질 용액으로 재 분산시킬 수 있습니다.

소수성 및 친수성 단량체 모두로 합성 된 하이드로 겔의 통상적 인 제조는 통상적으로 3D를 수득하기위한 가교제의 도입을 필요로한다네트워크 ( 4 , 5 , 6 , 7) . 그러나, 가교 결합제는 제거하기가 어렵고 종종 적용시 부작용을 일으킨다.

PNIPAAm은 고온에서 입자로 응집되거나 자기 조립 될 수 있으며 온도가 LCST보다 낮 으면 균일 한 용액으로 재 분산 될 수 있습니다. 가교 결합 및 화학적 변형은 종종 3D 네트워크의 붕괴를 방지하기 위해 하이드로 겔 준비에 사용됩니다. 수소 결합을 통한 열 유도 가교가 화학 반응을 대체하기 위해 여기에 적용되어 합성 및 준비 공정을 단순화합니다.

하이드로 겔 제조의 성공에 중요한 것은 중합 및 가교 결합이없는 공정과 소수성 약물의 캡슐화입니다. 중합하지 않으면, 하이드로 겔은 미 반응 개시제 및 종종 단량체강한 독성으로. 여기서 우리는 무기 화합물 (산화철)과 소수성 분자 (curcumin)의 표면 개질 및 용매 도입을 통한 분산 및 캡슐화를 성공적으로 수행했습니다.

시험관 방출 시험 ( 그림 7 )을 통해, 자기 유도 성 가열 (고열) 효과에 의해 자성 마이크로 젤이 외부 자기장 (HFMF)에서 온도와 방출 비율을 효과적으로 증가시키는 것을 발견했습니다. 전술 한 특성으로, 이들 PNIPAAm- 기재 자성 마이크로 겔은 자기 적 및 열적으로 유발 된, 종양 치료의 표적화 된 전달을위한 잠재적 인 후보자이다.

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Disclosures

저자는 공개 할 내용이 없습니다.

Acknowledgments

이 작품은 대만 과학 기술부 (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2)의 재정 지원을 받았으며 부분적으로 원자력 및 분자 과학 연구소 (Institute of Atomic and Molecular Sciences) Academia Sinica.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(N-isopropylacrylamide) Polyscience, Inc 21458-10 Mw ~40,000
(3-aminopropyl)trimethoxysilane Sigma-Aldrich 440140 > 99 %
Iron(II) chloride tetrahydrate Sigma-Aldrich 44939 99%
Iron(III) chloride Sigma-Aldrich 157740 97%
Curcumin Sigma-Aldrich 00280590
Ammonia hydroxide Fisher Chemical A/3240/PB15 35%
Phosphate Buffered Saline Sigma-Aldrich 806552 pH 7.4, liquid, sterile-filtered
Polyethylenimine (PEI) Sigma-Aldrich P3143 50 % (w/v) in water
High-frequency magnetic field (HFMF) Lantech Industrial Co., Ltd.,Taiwan LT-15-80 15 kV, 50–100 kHz
Ultraviolet-Visible Spectrophotometry Thermo Scientific Co. Genesys
Transmission electron microscopy (TEM) JEM-2100 JEOL
Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) PerkinElmer Spectrum 100
Thermogravimetric analyzer PerkinElmer Pyris 1
Ultrasonic cell disruptor Hielscher Ultrasonics UP50H

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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).
자기 및 열에 민감한 폴리 (<em&gt; N</em&gt; - 이소 프로필 아크릴 아미드) 기반의 마그네틱 트리거 리간드 용 젤
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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).

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