Summary

Fremstilling af tværbundne natriumalginatmikrosfærer med forskellige metalioner ved hjælp af den mikrofluidiske elektrosprayteknologi

Published: June 07, 2024
doi:

Summary

Protokollen beskriver fremstillingen af natriumalginatmikrosfærer tværbundet med forskellige metalioner ved hjælp af en mikrofluidisk enhed til lægemiddelbærerdesign. De antimikrobielle egenskaber og langsom lægemiddelfrigivelse af disse mikrosfærer blev også undersøgt.

Abstract

Mikrosfærer er partikler på størrelse med mikrometer, der kan indlæse og gradvist frigive lægemidler via fysisk indkapsling eller adsorption på overfladen og i polymerer. Inden for biomedicin er hydrogelmikrosfærer blevet grundigt undersøgt for deres anvendelse som lægemiddelbærere på grund af deres evne til at reducere hyppigheden af lægemiddeladministration, minimere bivirkninger og forbedre patientens compliance. Natriumalginat (ALG) er et naturligt forekommende lineært polysaccharid med tre rygrads glykosidbindinger. Der er to hjælpehydroxylgrupper til stede i hver af polymerens dele, som har karakteristika for en alkoholhydroxyldel. De syntetiske ALG-enheder kan gennemgå kemiske tværbindingsreaktioner med metalioner og danne en tværbundet netværksstruktur af polymerstakke og i sidste ende danne en hydrogel. Hydrogelmikrosfærer kan fremstilles ved hjælp af en simpel proces, der involverer de ioniske tværbindingsegenskaber af ALG. I denne undersøgelse forberedte vi ALG-baserede hydrogelmikrosfærer (ALGMS) ved hjælp af en mikrofluidisk elektrodepositionsstrategi. De forberedte hydrogelmikrosfærer var ensartede og godt spredt på grund af nøjagtig kontrol af den mikrofluidiske elektrospraystrøm. ALGMS tværbundet med forskellige metalioner blev fremstillet ved hjælp af en mikrofluidisk elektrosprayteknik, der kombinerer mikrofluidisk og højt elektrisk felt, og dets antimikrobielle egenskaber, langsomme lægemiddelfrigivelsesevne og biokompatibilitet blev undersøgt. Denne teknologi er lovende til anvendelse inden for avanceret lægemiddeludvikling og -produktion.

Introduction

Drug delivery-systemer er et forskningshotspot inden for biovævsteknologi, der har til formål at forbedre lægemiddelleveringseffektiviteten og -effektiviteten og reducere bivirkninger og bivirkninger1. Blandt disse systemer er hydrogelmikrosfærer, der er kendetegnet ved god biokompatibilitet, justerbare mekaniske egenskaber og funktionel plasticitet, et af de mest almindeligt anvendte køretøjer til påfyldning og leveringaf lægemidler 2. De kan bruges til både langsom og kontrolleret frigivelse af lægemidler, give gode beskyttende virkninger for lægemidler, undgå eller minimere ikke-specifikke virkninger af lægemidler i andre væv og målrette lægemiddellevering til specifikke vævsstrukturer3. Derfor er hydrogelmikrosfærer blevet et nyt og effektivt lægemiddelleveringssystem, hvor forskning på dette område gradvist dukker op4.

Hydrogelmikrosfærer syntetiseres typisk af biologisk nedbrydelige materialer, herunder polysaccharider, proteiner og naturlige polymerer5. Blandt dem er ALG et biokompatibelt, biologisk nedbrydeligt polysaccharid udvundet af marine brunalger6. Dens molekylkæde indeholder frie hydroxyl- og carboxylgrupper, der kan krydsbinde med de fleste tovalente eller multivalente kationer for at danne en vanduopløselig hydrogelstruktur med et tredimensionelt netværk5. Hydrogelmikrosfærerne dannet af ALG kan omdannes til negativt ladede polyelektrolytter i neutrale og alkaliske opløsninger. Denne frastødning mellem negative ladninger får mikrosfærerne til at svulme op, hvilket tillader frigivelse af den indkapslede aktive ingrediens eller lægemiddel. Disse egenskaber har ført til overvejelser om ALG-mikrosfærer som lovende lægemiddelbærere, der i vid udstrækning anvendes til lægemiddelbelastning og kontrolleret frigivelse7.

Der findes forskellige metoder til fremstilling af hydrogelmikrosfærer. Traditionelle ALGMS-præparationsmetoder omfatter normalt sol-gel-metoden eller emulsions-sol-metoden. Disse metoder involverer trin såsom nedbør, co-udfældning og geleringsreaktioner for at opnå målmikrosfærerne8. I de senere år, med den kontinuerlige udvikling af mikrofluidisk teknologi, er den mikrofluidiske elektrospraymetode gradvist blevet en effektiv og præcis mikrosfæreforberedelsesmetode9. Denne metode anvender mikrofluidisk teknologi til at elektrosprøjte en polymeropløsning gennem en mikrofin dyse for at danne mikrometerstore dråber og mikrosfærer under den efterfølgende hærdnings- eller tværbindingsproces10. Sammenlignet med den traditionelle metode tilbyder mikrofluidisk elektrospray præcis kontrol af mikrosfærens partikelstørrelse og morfologi ved at justere parametre som opløsningsflowhastighed, spænding og fin dysestørrelse11. Det muliggør også kontinuerlig forberedelse af mikrosfærer med høj hastighed, hvilket forbedrer forberedelseseffektiviteten og opretholder milde reaktionsforhold. Derudover kan ALGMS forberedes til at have forskellige funktioner, såsom lægemidler med kontrolleret frigivelse og belastede katalysatorer, hvilket gør det nemt at anvende dem på forskellige områder.

Her præsenterer vi en protokol for fremstilling af ALG-mikrosfærer ved hjælp af den mikrofluidiske elektrospray-metode. Processen involverer at føre en ALG-opløsning gennem en mikrofluidisk enhed og udsætte den for elektrospray. De resulterende dråber blev opsamlet i opløsningen indeholdende forskellige metalioner (Ca2+, Cu2+, Zn2+ og Fe3+) for at starte tværbindingsreaktionen. Denne reaktion forbedrer mikrosfærernes stabilitet og vedhæftning og giver dem forskellige funktioner. Denne metode er nem at udføre, og de syntetiserede mikrosfærer udviser god størrelsesensartethed i deres morfologi. Derudover undersøgte vi deres antimikrobielle egenskaber, langsomme lægemiddelfrigivelsesevne og biokompatibilitet. Denne protokol vil være nyttig til yderligere udvikling og produktion af lægemidler.

Protocol

Blodet, der blev brugt i eksperimenterne, blev hentet fra SPF-grade BALB/c hunmus, der vejede 20-25 g og var cirka 7 uger gamle. Dyreforsøgsetikkomitéen ved Zhejiang Shuren College godkendte alle dyrepleje- og forsøgsprocedurer. 1. Forberedelse af opløsning ALG vejes og opløses i ultrarent vand ved omrøring i et vandbad ved 50 °C for at opnå 2 % ALG-opløsning. Forbered separat massefraktion med 5% (eller molær massekoncentration er 0,3 M) opløsni…

Representative Results

Karakterisering af ALGMS tværbundet med forskellige metalionerDen optiske morfologi af Ca-ALGMS, Cu-ALGMS, Zn-ALGMS og Fe-ALGMS er vist i figur 2, der udviser god sfæriicitet, glat overflade, ensartet partikelstørrelsesfordeling (supplerende figur 2) og fremragende monodispersitet. Vi udførte yderligere mikroskopisk karakterisering ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) og energidispersiv spektroskopi (EDS) analyse. Som vist i <strong class=…

Discussion

I denne protokol præsenterer vi en metode til fremstilling af ALGMS baseret på mikrofluidisk elektrosprayteknologi. Metoden er enkel at betjene og giver et stort antal mikrosfærer med ensartet rundhed og kontrollerbar diameter. Denne tilgang giver bekvemmelighed for forskere og kan fremme forskning og anvendelse af hydrogelmikrosfærer. Derudover blev stabiliteten og bioaktiviteten af ALGMS forbedret ved tværbinding med forskellige metalioner. I de antimikrobielle eksperimenter udviste Cu-ALGMS og Zn-ALGMS signifikan…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af et forskningsprojekt fra Zhejiang Shuren University (2023R053 og 2023KJ237).

Materials

120 mesh screen Solarbio,China YA0946
Alcohol burner Solarbio,China YA2320
BALB/c mice Wukong Biotechnology,China
Bicinchoninic Acid Assay reagent Meilunbio,China MA0082
Bovine Serum Albumin Lablead,China 9048-46-8
CaCl2  powder Aladdin,China 10043-52-4
Calcein-AM/PI Biosharp,China BL130A
Centrifuge tubes Corning,America 430290
CuSO4  powder Jnxinyuehuagong,China 7758-99-8
DMEM Gibicol,China C11995500BT
FeCl3  powder Aladdin,China 7705-08-0
Fetal Bovine Serum HAKATA,China HN-FBS
Glass tubes Sartorius,Germany CC0028
Light microscopy Evidentscientific,Japan BX53(LED)
Microfluidic syringe pump Longerpump,England LSP01-3A
NIH3T3 HyGyte,China TCM-C752
Petri dish Thermofisher,America 150464
Phosphate buffer saline Thermofisher,America 3002
Scanning electron microscope Thermofisher,America Axia ChemiSEM
Sodium alginate powder  Bjbalb,China Y13095
ZnSO4 powder Jnxinyuehuagong,China 7733-02-0

References

  1. Gong, J., et al. A review of recent advances of cellulose-based intelligent-responsive hydrogels as vehicles for controllable drug delivery system. Int J BiolMacromol. 264 (2), 130525 (2024).
  2. Zhao, Z., et al. Injectable microfluidic hydrogel microspheres for cell and drug delivery. Adv Funct. 31 (31), 2103339 (2021).
  3. Qiao, S., Chen, W., Zheng, X., Ma, L. Preparation of pH-sensitive alginate-based hydrogel by microfluidic technology for intestinal targeting drug delivery. Int J Biol Macromol. 254 (2), 127649 (2024).
  4. Lei, L., et al. Antimicrobial hydrogel microspheres for protein capture and wound healing. Mater Design. 215, 110478 (2022).
  5. Ju, Y., et al. Zn2+ incorporated composite polysaccharide microspheres for sustained growth factor release and wound healing. Mater Today Bio. 22, 100739 (2023).
  6. El-Sayed, N. S., Hashem, A. H., Khattab, T. A., Kamel, S. New antibacterial hydrogels based on sodium alginate. Int. J Biol Macromol. 248, 125872 (2023).
  7. Olukman Şahin, M., Şanlı, O. In vitro 5-fluorouracil release properties investigation from pH sensitive sodium alginate coated and uncoated methyl cellulose/chitosan microspheres. Int J Biol Macromol. 258 (1), 128895 (2024).
  8. Chi, H., Qiu, Y., Ye, X., Shi, J., Li, Z. Preparation strategy of hydrogel microsphere and its application in skin repair. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1239183 (2023).
  9. Yang, L., et al. Bio-inspired dual-adhesive particles from microfluidic electrospray for bone regeneration. Nano Res. 16 (4), 5292-5299 (2022).
  10. Zheng, H., et al. Celastrol-encapsulated microspheres prepared by microfluidic electrospray for alleviating inflammatory pain. Biomater Adv. 149, 213398 (2023).
  11. Yang, L., Yang, W., Xu, W., Zhao, Y., Shang, L. Bio-inspired Janus microcarriers with sequential actives release for bone regeneration. Chem Eng J. 476, 146797 (2023).
  12. Yang, L., Sun, L., Zhang, H., Bian, F., Zhao, Y. Ice-inspired lubricated drug delivery particles from microfluidic electrospray for osteoarthritis treatment. ACS Nano. 15 (12), 20600-20606 (2021).
  13. Li, S., et al. Ultra-flexible stretchable liquid metal circuits with antimicrobial properties through selective laser activation for health monitoring. Chem Eng J. 482, 149173 (2024).
  14. Sukhodub, L., Kumeda, M., Sukhodub, L., Bielai, V., Lyndin, M. Metal ions doping effect on the physicochemical, antimicrobial, and wound healing profiles of alginate-based composite. Carbohydr Polym. 304, 120486 (2023).
  15. Daly, A. C., Riley, L., Segura, T., Burdick, J. A. Hydrogel microparticles for biomedical applications. Nat Rev Mater. 5 (1), 20-43 (2020).
  16. Bertsch, P., Diba, M., Mooney, D. J., Leeuwenburgh, S. C. G. Self-healing injectable hydrogels for tissue regeneration. Chem Rev. 123 (2), 834-873 (2023).
  17. Yang, L., et al. Biomass microcapsules with stem cell encapsulation for bone repair. Nanomicro Lett. 14 (1), (2021).
  18. Wu, D., et al. NK-Cell-Encapsulated porous microspheres via microfluidic electrospray for tumor immunotherapy. ACS Appl Mater. 11 (37), 33716-33724 (2019).
  19. Nan, L., Zhang, H., Weitz, D. A., Shum, H. C. Development and future of droplet microfluidics. LOC. 24 (5), 1135-1153 (2024).

Play Video

Cite This Article
Shao, Y., Ye, S., Feng, J., Wang, F., Jin, A., Lei, L., Pan, W. Preparation of Cross-Linked Sodium Alginate Microspheres with Different Metal Ions Using the Microfluidic Electrospray Technology. J. Vis. Exp. (208), e66871, doi:10.3791/66871 (2024).

View Video