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Bioengineering

Poli (Magnetic and Thermal-sensitive Poly) doi: 10.3791/55648 Published: July 4, 2017

Summary

Este manuscrito descreve a preparação de microgeles magnéticos e sensíveis ao calor através de uma emulsão induzida por temperatura sem reação química. Estes microgéis sensíveis foram sintetizados misturando nanopartículas de poli ( N- isopropilacrilamida) (PNIPAAm), polietilenimina (PEI) e de Fe 3 O 4 -NH 2 para o uso potencial em liberação de fármaco acionada magneticamente e termicamente.

Abstract

Os microgéis de poli ( N- isopropilacrilamida) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 magnéticamente e termicamente sensíveis com a curcumina anticancerosa encapsulada (Cur) foram concebidos e fabricados para libertação com disparo magnético. Os microgéis magnéticos baseados em PNIPAAm com uma estrutura esférica foram produzidos através de uma emulsão induzida por temperatura seguida de reticulação física por mistura de nanopartículas magnéticas PNIPAAm, polietilenimina (PEI) e de Fe 3 O 4 -NH 2 . Devido à sua dispersidade, as nanopartículas de Fe3O4-NH2 foram incorporadas dentro da matriz de polímero. Os grupos amina expostos na superfície Fe 3 O 4 -NH 2 e PEI suportaram a estrutura esférica por reticulação fisica com os grupos amida do PNIPAAm. A droga hidrofóbica anticancerígena curcumina pode ser dispersa em água após o encapsulamento nos microgéis. Os microgelos foram caracterizadosPor microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de infravermelho de transformação de Fourier (FT-IR) e análise espectral UV-Vis. Além disso, a liberação com disparo magnético foi estudada sob um campo magnético externo de alta freqüência (HFMF). Foi observada uma significativa "libertação de rajada" de curcumina após a aplicação do HFMF aos microgéis devido ao efeito do aquecimento indutivo magnético (hipertermia). Este manuscrito descreve a liberação controlada com gatilho magnético da curcumina encapsulada Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , que pode ser potencialmente aplicada para terapia tumoral.

Introduction

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Os hidrogéis são redes poliméricas tridimensionais (3D) que não podem se dissolver, mas podem inchar em soluções aquosas 1 . As redes poliméricas têm domínios hidrofílicos (que podem ser hidratados para fornecer a estrutura do hidrogel) e uma conformação reticulada (o que pode impedir o colapso da rede). Vários métodos foram investigados para a preparação de hidrogéis, tais como polimerização em emulsão, copolimerização aniónica, reticulação de cadeias poliméricas vizinhas e polimerização inversa de microemulsão 2 . A reticulação física e química é introduzida através destes métodos para obter hidrogéis estruturalmente estáveis 1 , 3 . A reticulação química requer normalmente a participação do agente de reticulação, que liga a espinha dorsal ou a cadeia lateral dos polímeros. Comparado ao reticulado químico, o reticulado físico é uma escolha melhor para o fabr Hidrogéis gelados devido à evitação de um agente de reticulação, uma vez que estes agentes são frequentemente tóxicos para aplicações práticas 4 . Várias abordagens foram investigadas para sintetizar hidrogéis fisicamente reticulados, como reticulação com interação iônica, cristalização, ligação entre blocos anfifílicos ou enxerto nas cadeias de polímero e ligação de hidrogênio 4 , 5 , 6 , 7 .

Os polímeros sensíveis a estímulos, que podem sofrer mudanças de propriedade conformação, química ou física em resposta a diferentes condições ambientais ( isto é , temperatura, pH, luz, força iónica e campo magnético), atraíram recentemente a atenção como uma plataforma potencial para sistemas de liberação controlada , Entrega de drogas e terapia anti-câncer 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Os pesquisadores estão focados em polímeros termo-sensíveis onde a temperatura intrínseca pode ser facilmente controlada. O PNIPAAm é um polímero termicamente sensível, que contém grupos de amida hidrófila e grupos isopropílicos hidrofóbicos e tem uma temperatura de solução crítica mais baixa (LCST) 13. A ligação de hidrogênio entre grupos de amida e moléculas de água fornece a dispersidade de PNIPAAm em solução aquosa a baixas temperaturas (abaixo da LCST), enquanto a ligação de hidrogênio entre cadeias de polímero ocorre em altas temperaturas (acima da LCST) e exclui água Moléculas para que a rede de polímeros colapsa. Em relação a esta propriedade única, muitos relatórios foram publicados para a preparação de hidrogéis auto-montados com temperatura, ajustando a relação hidrofóbica e hidrofílica do comprimento da cadeia de polímero, como a copolimerização, o enxerto, Modificação de cadeia para farmáciaPlataformas cal, 14 , 15 , 16 , 17 .

Materiais magnéticos como ferro, cobalto e níquel também receberam atenção crescente nas últimas décadas para aplicações bioquímicas 18 . Entre esses candidatos, o óxido de ferro é o mais utilizado devido à sua estabilidade e baixa toxicidade. Os óxidos de ferro de tamanho nanométrico respondem instantaneamente ao campo magnético e se comportam como átomos superparamagnéticos. No entanto, tais partículas pequenas facilmente agregam; Isso reduz a energia da superfície e, portanto, eles perdem a dispersidade. A fim de melhorar a dispersão da água, o enxerto ou o revestimento para proteger a camada são comumente aplicados não apenas para separar cada partícula individual para a estabilidade, mas também para funcionalizar ainda mais o local de reacção 19 .

Aqui, fabricamos microfones baseados em PNIPAAm magnéticosGeles para servir como transportadoras de medicamentos para sistemas de liberação controlada. O processo de síntese é descrito e mostrado na Figura 1 . Em vez de uma copolimerização complicada e reticulação química, a nova emulsão induzida por temperatura de PNIPAAm seguida por reticulação física foi empregada para a obtenção de microgels sem surfactante adicional ou agentes de reticulação. Isso simplificou a síntese e impediu a toxicidade indesejada. Dentro de um protocolo de preparação tão simples, os microgéis com síntese oferecidos oferecem dispersão de água tanto para as nanopartículas magnéticas de óxido de ferro quanto para a droga hidrofóbica e anticancerígena, a curcumina. FT-IR, TEM e imagens provaram evidências de dispersão e encapsulamento. Devido ao Fe 3 O 4 -NH 2 incorporado, os microgels magnéticos mostraram potencial para servir como micro-dispositivos para libertação controlada sob HFMF.

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Protocol

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1. Síntese de nanopartículas magnéticas modificadas superficialmente, dispersíveis em água, Fe 3 O 4 e Fe3O4-NH2

  1. Adicionar 14,02 g de FeCl3, 8,6 g de FeCl 2 · 4H 2 O e 250 mL de água para um copo de 500 mL.
  2. Conecte o rotor eo controlador para configurar a remoção mecânica. Misture a solução a 300 rpm durante 30 min à temperatura ambiente (RT).
  3. Adicionar 25 mL de hidróxido de amónio (33%) na solução à TA e manter a agitação (300 rpm) durante 30 min. Mantenha a taça aberta.
    CUIDADO: hidróxido de amônio pode causar irritação no nariz se inalado. Este passo deve ser realizado dentro de uma capa de exaustão apropriada.
  4. Para coletar os óxidos de ferro magnéticos (Fe 3 O 4 ), remova a remoção mecânica. Coloque um ímã sob o copo para recolher as partículas negras.
    1. Após as nanopartículas de Fe 3 O 4 serem completamente precipitadas, remova cuidadosamente o sobrenadante. Não agite o bAntes de despejar o sobrenadante para evitar a perda de Fe 3 O 4 .
    2. Remova o ímã e adicione 50 mL de água fresca à taça.
    3. Agite o copo para re-dispersar o Fe 3 O 4 . Repita as etapas 1.4 a 1.4.2 três vezes para purificar o Fe 3 O 4 .
  5. Após a última lavagem, transfira todo o Fe 3 O 4 (10 g) para uma garrafa de vidro de 100 mL. Adicione água até o volume da solução total ser de 100 mL. Agite vigorosamente a garrafa de vidro até que nenhum pedaço seja visível.
    NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui. As nanopartículas de Fe 3 O 4 são preparadas.
  6. Modificar o Fe 3 O 4 com aminosilano (Fe 3 O 4 -NH 2 ).
    1. Pegue a solução de 100 mL do passo 1.5 e transfira para um copo de 1000 mL. Adicione 10 mL de solução de amônia, 90 mL de água e 900 mL de etanol para o copo.
    2. Use uma barra de agitação magnética para misturar a solução em300 rpm. Adicionar 500 μL de (3-aminopropil) trietoxissilano (APTES) gota a gota ao copo a TA e agitar durante mais 12 h.
  7. Purificar e recolher o Fe 3 O 4 -NH 2 como descrito na secção 1.4.
  8. Re-dispersar 1 g de Fe 3 O 4 -NH 2 (do passo 1.7) em uma garrafa de vidro de 20 mL com 20 mL de água.
    NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui. As nanopartículas de Fe3O4-NH2 são preparadas.

2. Síntese de microgéis orgânicos-inorgânicos e inorgânicos por emulsão termo-induzida

  1. Preparação da Solução 1-1 e 1-2 .
    1. Para a solução 1-1, adicione 0,25 g de PNIPAAm, 5 mL de solução de Fe3O4 (do passo 1.5) e 0,2 g de PEI para uma garrafa de vidro de 50 mL. Adicione 20 mL de água e use uma barra de agitação magnética para agitar a 300 rpm durante 30 min.
    2. Para a solução 1-2, repita o passo 2.1.1, mas substitua Fe 3 O 4 como FeSolução de 3 O4-NH2 (do passo 1.8).
  2. Para preparar a Solução 2 , adicione 0,8 g de PEI e 18,2 mL de água a uma garrafa de vidro de 50 mL. Use um banho de água para aquecer a solução a 70 ° C durante 30 min. Prepare uma segunda garrafa da Solução 2 .
  3. Preparação de PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
    1. Use um disruptor de células ultra-sônicas para o sonicato (50 w), uma barra de agitação magnética para agitar (300 rpm) e um banho de água para aquecer a Solução 2 (70 ° C).
    2. Adicione a solução 1-1 à solução aquecida 2 gota a gota usando uma seringa de 3 mL a uma taxa de 1 mL / min.
    3. Continuar a sonicação, mexer e aquecer a 70 ° C durante 30 min.
    4. Arrefeça a solução para a RT. Remova a solução do disruptor celular e banho de água.
    5. Recolher os microgéis colocando o ímã perto da garrafa de vidro.
    6. Remova o sobrenadante afOs microgels precipitaram-se no fundo da garrafa de vidro.
    7. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é PNIPAAm / Fe 3 O 4 .
      NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.
  4. Preparação de PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
    1. Use um disruptor de células ultra-sônicas para o sonicato (50 w), uma barra de agitação magnética para agitar (300 rpm) e um banho de água para aquecer a Solução 2 (70 ° C).
    2. Adicione a Solução 1-2 à solução aquecida 2 gota a gota usando uma seringa de 3 mL a uma taxa de 1 mL / min.
    3. Continuar a sonicação, mexer e aquecer a 70 ° C durante 30 min.
    4. Arrefeça a solução para a RT. Remova a solução do disruptor celular e banho de água.
    5. Recolher os microgéis colocando o ímã perto da garrafa de vidro.
    6. Uma vez que os microgels precipitam, removaO sobrenadante.
    7. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
      NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.

3. Preparação de Microgels carregados com Curcumin (Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 )

NOTA: Estas etapas devem ser realizadas no escuro.

  1. Adicione 100 mg de Cur e 20 mL de etanol a um frasco de vidro de 20 mL.
  2. Tome 2 mL da solução de Cur e transfira para a solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (passo 2.4.7). Agitar a 400 rpm e RT durante a noite.
  3. Após agitação a 400 rpm e RT durante a noite, use o íman para coletar PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 como descrito nos passos 2.4.5 e 2.4.6.
  4. Adicione mais 25 mL de água ao frasco de vidro e re-dispersa os microgels por vortex. Esta solução é C Ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .

4. Liberação de droga desencadeada magnéticamente

  1. Transfira 10 mL da solução Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e adicione 2 mL de água a um tubo de centrifugação de 15 mL.
  2. Coloque o tubo de centrifugação no centro da bobina para aplicar o HFMF 20 . Aplique HFMF a 15 KHz por 20 min.
  3. Retirar 0,5 mL da solução de HFMF e substituir com 0,5 mL de água fresca a cada intervalo de 2 min enquanto aplica o HFMF.
  4. Transfira a solução retirada para a cuvete de 1 mL.
  5. Medir a absorção da solução retirada por UV / Vis a 482 nm 21 .
  6. Determine a concentração dos medicamentos liberados usando a relação de absorção e concentração de uma curva de calibração padrão 22 .
    NOTA: A relação de calibração padrão é:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Onde o coeficiente de correlação é 0,9993.

5. Caracterização dos Microgels Magnéticos

  1. Analisador termogravimétrico (TGA) 23 .
    1. Medir a perda de peso de PNIPAAm / Fe 3 O 4 e PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 vs. temperatura sob atmosfera de ar por TGA.
      1. Aquecer a amostra de RT a 100 ° C e manter a esta temperatura durante 10 min para eliminar a umidade. Aquecer a amostra de 100 ° C a 800 ° C a uma taxa de 10 ° C / min. Pesar as amostras.
      2. Trace a perda de peso em relação à temperatura de PNIPAAm / Fe 3 O 4 e PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 .
        NOTA: O peso de resíduo é Fe 3 O 4 ou Fe 3 O 4 -NH 2 , enquanto o peso perdido é PNIPAAm.
  2. FT-IR"> 24.
    1. Secar 10 mg de amostra com 1 g de KBr a 100 ° C durante a noite.
    2. Pressione a mistura do passo 5.2.1 em pellets como descrito nas seguintes etapas (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. Molhar os materiais do passo 5.2.1 em um pó fino usando uma argamassa e pilão.
      2. Coloque o aparelho montado (argamassa e pilão) na prensa de pelotização. Alinhe o aparelho no meio exato da imprensa.
      3. Bombeie a prensa até chegar uma pressão de 20,000 psi. Deixe o sedimento sentado a essa pressão durante 5 min.
        CUIDADO: Alinhe o aparelho no meio exato da imprensa, caso contrário, a amostra se dispersará da argamassa e causará ferimentos por exposição.
      4. Remova a matriz que contém o grânulo e o pistão da prensa.
      5. Vire-o de cabeça para baixo e bombeie o pistão para forçar o sedimento para fora.
    3. Registre os espectros de absorção FT-IR de amostras por FT-IR em freqüências variando de 400 a 4.000 cm -1 -1 24 .
  3. Observações de morfologia pela TEM 25 .
    1. Soltar a solução da amostra em uma grelha de cobre revestida com um colódio e depois secar à temperatura ambiente ou em um forno a 70 ° durante a noite.
    2. Tire imagens TEM.
      NOTA: fortes feixes de elétrons podem danificar as amostras. Portanto, as imagens TEM devem ser tomadas o mais rápido possível.
  4. Capacidades de dispersão aquosa de polímeros e microgéis.
    1. Para preparar a solução PNIPAAm, adicione 7 mg de PNIPAAm e 7 mL de água a uma garrafa de vidro de 7 mL. Use um vórtice para misturar a solução até que não haja agregados.
    2. Para preparar a solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , transferir 0,7 mL de solução PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (passo 2.4.7) para uma garrafa de vidro de 7 mL e adicionar 6,3 mL de água. Use um vórtice para misturar a solução até não haver precipitação.
    3. Para preparar Cur-PNIPAAM / Fe 3 O 4 -NH 2 , transferir 0,7 mL de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 solução (passo 3.4) para uma garrafa de vidro de 7 mL e adicionar 6,3 mL de água. Use um vórtice para misturar a solução até não haver precipitação.
    4. Tire uma foto das soluções (etapas 5.4.1 - 5.4.3) usando uma câmera digital.
    5. Coloque as soluções em um forno e ajuste a temperatura para 70 ° C. Aguarde 2 h até o equilíbrio.
    6. Tire uma outra imagem das soluções. Para manter a temperatura, tire a foto dentro de 1 min. Evite agitar a garrafa de vidro, pois isso pode re-dispersar as precipitações.
  5. Para a coleta magnética de microgels, coloque o íman forte perto da solução Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 (etapa 5.4.3). Aguarde até que os microgelos sejam totalmente coletados e tire uma foto.
    1. Remova o ímã e vorteie a solução de microgel até ficar completamente dispersa. Tire outra foto. </ Li>

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Representative Results

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O esquema para a síntese dos microgéis PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2 é mostrado na Figura 1 . O TGA foi aplicado para estimar a composição relativa do composto orgânico contra todo o microgel. Uma vez que apenas o composto orgânico PNIPAAm pode ser queimado, a composição relativa de PNIPAAm e Fe 3 O 4 (ou Fe 3 O 4 -NH 2 ) foi determinada e é mostrada na Tabela 1 . Por que PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 microgels exibem melhor dispersidade, mas mantêm os conteúdos mais baixos de óxidos de ferro? Devido à interação mais forte e a uma melhor dispersão em PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 do que em PNIPAAm / Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 -NH 2 é mais fácil de reticular PNIPAAm do que Fe 3 O 4 . Como resultado, os rendimentos de PNIPAAm / Fe 3 O 2 microgels são muito superiores aos de PNIPAAm / Fe 3 O 4 . Devido aos processos de coleta (etapas 2.3.3 - 2.3.5 e 2.4.3 - 2.4.5), o PNIPAAm não reticulado foi removido com o sobrenadante, uma vez que apenas o óxido de ferro magnético com microgels pode ser absorvido magneticamente. Como conseqüência, as porcentagens de peso de PNIPAAm nos microgels são 32,37% (PNIPAAm / Fe 3 O 4 ) e 68,56% (PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ). As nanopartículas de Fe3O4-NH2 podem reticular fisicamente muito mais PNIPAAm em comparação com as nanopartículas de Fe3O4.

As imagens TEM das soluções PNIPAAm e microgels magnéticos foram tomadas pela câmera digital à temperatura ambiente. Conforme mostrado na Figura 2a , não existem estruturas específicas em uma solução de PNIPAAm pura à temperatura ambiente. No entanto, partição de óxido de ferro esférico regular( Figura 2b ) foram observados nos microgéis PNIPAAm / Fe 3 O 4 ( Figura 2c ) e PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( Figura 2d ), que evidenciaram a reticulação física resultante da ligação de hidrogênio entre PNIPAAm e PEI . A maioria das nanopartículas de Fe 3 O 4 só pode ser adsorvido na superfície da matriz baseada em PNIPAAm e produziu clusters de agregação ( Figura 2c ). No entanto, as nanopartículas de óxido de ferro modificadas com APTES, Fe 3 O 4 -NH 2 podem ser incorporadas nas partículas, devido à maior dispersão de água e menor tamanho das nanopartículas magnéticas ( Figura 3d ), em comparação com as nanopartículas de Fe 3 O 4 nulas. Depois de carregado com curcumina, a morfologia de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ( FiGure 2e) era muito mais isolado do que o de microgels magnéticos devido à característica hidrofóbica de Cur. Os resultados também sugerem que Cur não foi apenas encapsulado no interior, mas também absorvido na superfície dos microgels.

A preparação de Microgel e o encapsulamento terapêutico-molécula foram identificados por análise FT-IR como mostrado na Figura 3 . Em comparação com o Fe 3 O 4 da literatura 19 , 26 , os picos de absorção recém-aparentados a 2927, 1203, 987 e 472 cm -1 foram atribuídos à vibração do alongamento CH, alongamento Si-O-Si, Si-O Alongamento e flexão de Si-O, respectivamente, o que sugeriu a modificação bem-sucedida de APTES para cobrir a superfície das nanopartículas de Fe 3 O 4 . Os picos de vibração Fe-O (584 cm -1 ) também foram observados tanto em PNIPAAm / Fe 3 O 4 3 O 4 -NH 2 . No entanto, a intensidade relativa da vibração Fe-O foi maior em PNIPAAm / Fe 3 O 4 do que em PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , o que também apoiou nossa descrição da composição, de que uma melhor dispersão de água levou a uma Melhor distribuição estrutural. Após o processo de carregamento, os picos de absorção característicos de curcumina a 1509 e 3511 cm -1 referentes ao alongamento C = C aromático e alongamento OH, respectivamente, apareceram nos espectros FT-IR de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , o que Indicou o encapsulamento bem sucedido da curcumina.

As fotos de vários microgéis a 25 ° C ou 70 ° C são mostradas na Figura 4 , em que as soluções leitosa e marrom representam a agregação de PNIPAAm e óxidos de ferro, respectivamente. Comparado com as Figuras 4a - c , não houve agregações obviamente visíveis nas soluções PNIPAAm, PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e Cur-PNIPAAm / Fe3O 4 -NH 2 à temperatura ambiente (25 ° C). A solução PNIPAAm e os microgéis magnéticos tornaram-se opacos quando as soluções foram aquecidas acima da LCST de PNIPAAm como mostrado na Figura 4d - f . Ambos os microgéis magnéticos foram leitosos, mas dispersos sem precipitação, e isso indicou a grande dispersidade e forte ligação física entre PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 e curcumina. Conforme mostrado na Figura 5 , os microgéis magnéticos podem ser facilmente coletados com o íman e re-dispersos na solução aquosa sem agregação após a remoção do ímã. Os resultados indicaram que esses microgéis magnéticos poderiam ser potencialmente aplicados a um sistema de distribuição aquosa como o corpo humano fOu aplicações clínicas.

Os comportamentos de libertação in vitro de microgels magnéticos foram monitorados através de HFMF. A configuração do aparelho experimental é mostrada na Figura 6 , onde o tubo de centrifugação deve estar no centro da bobina que contém o campo magnético. A precipitação marrom localizada no centro do tubo foi os microgéis magnéticos, que foram separados das soluções sob tratamentos de HFMF.

A porcentagem de liberação magnética com e sem HFMF foi monitorada e é mostrada na Figura 7 . Em comparação com a porcentagem de liberação sem HFMF em períodos idênticos (20 min), a porcentagem de liberação aumentou 2,5 vezes no tratamento com HFMF, e a temperatura da solução em massa poderia ser aumentada para mais de 50 ° C simultaneamente. Devido à contenção de polímeros termo-sensíveis, PNIPAAm, microgels magnéticos poderiamEsprema o medicamento encapsulado (Cur), resultante da matriz de polímero PNIPAAm tornando-se hidrófobo e então conjugado a alta temperatura (50 ° C). Enquanto isso, a curcumina poderia ser liberada para realizar a terapia anti-câncer aplicando o HFMF. O aquecimento local a partir da indução magnética sobre o HFMF pode destruir a ligação entre Cur e PNIPPAm, mesmo que o Cur hidrofóbico seja obrigado a se ligar ao PNIPPAm hidrofóbico em altas temperaturas. Além disso, a mudança de volume (de hidrófilo a hidrófobo e menor a maior temperatura) dos microgéis magnéticos também espremirá o Cur.

O aumento de temperatura da solução em massa foi registrado e mostrado na Figura 7 como a curva vermelha com o símbolo de diamante. Como mostrado, a temperatura aumentou primeiro com o tempo de aquecimento e estabilizou após 14 min. O planalto deve ser a saturação do aquecimento indutivo magnético (hipertermia)Na água a granel. No entanto, a temperatura localizada deve ser alta o suficiente para espremer o Cur.

figura 1
Figura 1. Processo de síntese esquemática para PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2 Microgels.
Misture o PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 e PEI juntos e aquecer a mistura até 70 ° C de modo a introduzir a ligação em H para a preparação do microgel. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 2
Figura 2. Imagens TEM das Soluções PNIPAAm e Microgels Magnéticos. A) PNIPAAm, b) Fe 3 O 4 , c) PNIPAAm / Fe 3 O 4 , d) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e e) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . As imagens TEM foram tomadas para monitorar a dispersidade e a morfologia das amostras. As amostras de TEM foram preparadas na RT. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 3
Figura 3. Espectro FT-IR de PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 , PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 . Os microgéis com síntese foram misturados com KBr e comprimidos em pellets. FRIR foi então aplicado para esclarecer as interaçõesF PNIPAAm, Fe 3 O 4 -NH 2 , PEI e curcumina monitorando as mudanças de absorção dos grupos de funções. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 4
Figura 4. Habilidades de dispersão aquosa de microgels sob e acima da LCST: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e c) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 a 25 ° C. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 e f) Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 a 70 ° C. As soluções de amostra foram preparadas à temperatura ambiente e aquecidas até 70 ° C. A fotoOs gráficos foram realizados sob RT e 70 ° C para observar a dispersão de água dos microgéis sintetizados. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 5
Figura 5. Coleção de microgels magnéticos carregados com curcumina por um ímã. Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 foram dispersos em solução aquosa (esquerda) e recolhidos por um ímã (à direita). Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 6
Figura 6. Aparelho Experimental para Magnetic-trig Gerado com HFMF. O anel branco é a bobina de cobre. O tubo de centrifugação contendo os microgéis magnéticos é mostrado. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.

Figura 7
Figura 7. Liberação controlada dos microgels Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 a pH 7,4 com (símbolo quadrado) e sem (símbolo do círculo) HFMF. A porcentagem de liberação de curcumina de microgels magnéticos com (preto, quadrados) e sem (círculos negros) aplicando o HFMF é mostrada. O aumento da temperatura dos microgéis Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 com HFMF é exibido em vermelho (diamante). As barras de erro representam SD.= "_ Blank"> Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Amostras 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 )

Tabela 1. Composição Relativa (% de peso) das Nanopartículas Magneticas e PNIPAAm nos Microgels. A composição relativa dos microgéis magnéticos foi calculada utilizando análise de TGA.

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Discussion

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As etapas mais importantes da preparação estão na seção de protocolo 2, para a síntese dos microgéis magnéticos por emulsão termo-induzida. Conforme mostrado na Figura 2 (imagens de TEM), a estrutura esférica de microgels pode ser mantida na RT (inferior à LCST) devido à reticulação física resultante da forte ligação de H entre PNIPAAm (grupos amida), PEI (grupos amina) E Fe 3 O 4 -NH 2 (grupos amina). Com base na comparação na Figura 4 , os microgéis magnéticos são bem dispersos a uma temperatura baixa (25 ° C) ou alta (70 ° C). Os microgéis também podem ser coletados por um ímã e re-dispersos em solução homogênea como mostrado na Figura 5 .

A preparação tradicional de hidrogéis sintetizados com monómeros hidrofóbicos e hidrofílicos normalmente requer a introdução de agentes de reticulação para obter 3DRedes 4 , 5 , 6 , 7 . No entanto, os agentes de reticulação são difíceis de remover e muitas vezes causam efeitos colaterais na sua aplicação.

PNIPAAm pode agregar ou auto-montar em partículas sob alta temperatura e também re-dispersar em solução homogênea quando a temperatura é menor do que a LCST. A reticulação e a modificação química são freqüentemente empregadas para a preparação de hidrogel para evitar o colapso das redes 3D. A reticulação induzida por termo através de ligação de hidrogénio é aplicada aqui para substituir as reações químicas, simplificando assim o processo de síntese e preparação.

Críticos para o sucesso da fabricação de hidrogel são o processo livre de polimerização e reticulação e o encapsulamento de drogas hidrofóbicas. Sem polimerização, o hidrogel pode remover os iniciadores e monómeros que não reagiram, que muitas vezes conduzemPara uma forte toxicidade. Aqui, realizamos com sucesso a dispersão e encapsulamento de compostos inorgânicos (óxido de ferro) e moléculas hidrofóbicas (curcumina) via modificação de superfície e introdução de solventes.

Através de testes de liberação in vitro ( Figura 7 ), descobrimos que os microgéis magnéticos tiveram um aumento eficiente da temperatura e da porcentagem de liberação no campo magnético externo (HFMF) pelo efeito de aquecimento indutivo magnético (hipertermia). Com as propriedades acima mencionadas, esses microgéis magnéticos baseados em PNIPAAm são candidatos potenciais para a administração de terapia de tumor magneticamente e termicamente desencadeada.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado financeiramente pelo Ministério da Ciência e Tecnologia de Taiwan (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) e parcialmente apoiado pelo 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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Poli (Magnetic and Thermal-sensitive Poly)<em&gt; N</em&gt; Microgels com base em isopropilacrilamida) para liberação controlada com disparo magnético
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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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