Summary

Mikroakışkan Elektrosprey Teknolojisi Kullanılarak Farklı Metal İyonları ile Çapraz Bağlı Sodyum Aljinat Mikroküreciklerinin Hazırlanması

Published: June 07, 2024
doi:

Summary

Protokol, ilaç taşıyıcı tasarımı için bir mikroakışkan cihaz kullanılarak farklı metal iyonları ile çapraz bağlanmış sodyum aljinat mikrokürelerinin hazırlanmasını açıklar. Bu mikrokürelerin antimikrobiyal özellikleri ve yavaş ilaç salınımı da araştırıldı.

Abstract

Mikroküreler, fiziksel kapsülleme veya adsorpsiyon yoluyla ilaçları yüzeye ve polimerlerin içine yükleyebilen ve kademeli olarak serbest bırakabilen mikrometre büyüklüğünde parçacıklardır. Biyotıp alanında, hidrojel mikroküreler, ilaç uygulama sıklığını azaltma, yan etkileri en aza indirme ve hasta uyumunu iyileştirme yetenekleri nedeniyle ilaç taşıyıcıları olarak uygulamaları için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Sodyum aljinat (ALG), üç omurga glikozidik bağına sahip, doğal olarak oluşan doğrusal bir polisakkarittir. Polimerin parçalarının her birinde, bir alkol hidroksil parçasının özelliklerine sahip olan iki yardımcı hidroksil grubu bulunur. Sentetik ALG birimleri, metal iyonları ile kimyasal çapraz bağlama reaksiyonlarına girebilir, polimer yığınlarının çapraz bağlı bir ağ yapısını oluşturur ve sonuçta bir hidrojel oluşturur. Hidrojel mikro küreler, ALG’nin iyonik çapraz bağlama özelliklerini içeren basit bir işlem kullanılarak hazırlanabilir. Bu çalışmada, bir mikroakışkan elektrodepozisyon stratejisi kullanarak ALG tabanlı hidrojel mikroküreler (ALGMS) hazırladık. Hazırlanan hidrojel mikro kürecikler, mikroakışkan elektrosprey akışının doğru kontrolü sayesinde eşit şekilde boyutlandırıldı ve iyi dağıldı. Mikroakışkan ve yüksek elektrik alanını birleştiren bir mikroakışkan elektrosprey tekniği kullanılarak farklı metal iyonları ile çapraz bağlanmış ALGMS, antimikrobiyal özellikleri, yavaş ilaç salınım kabiliyeti ve biyouyumluluğu araştırılmıştır. Bu teknoloji, ileri ilaç geliştirme ve üretiminde uygulama için umut vaat ediyor.

Introduction

İlaç dağıtım sistemleri, biyo-doku mühendisliği alanında, ilaç dağıtım verimliliğini ve etkinliğini artırmayı ve advers reaksiyonları ve yan etkileri azaltmayı amaçlayan bir araştırma noktasıdır1. Bu sistemler arasında, iyi biyouyumluluk, ayarlanabilir mekanik özellikler ve fonksiyonel plastisite ile karakterize edilen hidrojel mikro küreler, ilaç yükleme ve dağıtımı için en yaygın kullanılan araçlardan biridir2. İlaçların hem yavaş hem de kontrollü salınımı için kullanılabilirler, ilaçlar için iyi koruyucu etkiler sağlayabilirler, ilaçların diğer dokulardaki spesifik olmayan etkilerini önleyebilir veya en aza indirebilirler ve belirli doku yapılarına ilaç iletimini hedeflerler3. Bu nedenle, hidrojel mikrokürecikler yeni ve verimli bir ilaç dağıtım sistemi haline gelmiştir ve bu alandaki araştırmalar yavaş yavaş ortaya çıkmaktadır4.

Hidrojel mikroküreler tipik olarak polisakkaritler, proteinler ve doğal polimerler dahil olmak üzere biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerden sentezlenir5. Bunlar arasında ALG, deniz kahverengi alglerindenekstrakte edilen biyouyumlu, biyolojik olarak parçalanabilen bir polisakkarittir 6. Moleküler zinciri, üç boyutlu bir ağa sahip suda çözünmeyen bir hidrojel yapısı oluşturmak için en iki değerlikli veya çok değerlikli katyonlarla çapraz bağlanabilen serbest hidroksil ve karboksil grupları içerir5. ALG tarafından oluşturulan hidrojel mikro küreler, nötr ve alkali çözeltilerde negatif yüklü polielektrolitlere dönüştürülebilir. Negatif yükler arasındaki bu itme, mikro kürelerin şişmesine neden olarak kapsüllenmiş aktif bileşenin veya ilacın salınmasına izin verir. Bu özellikler, ALG mikrokürelerinin ilaç yükleme ve kontrollü salım7 için yaygın olarak kullanılan umut verici ilaç taşıyıcıları olarak değerlendirilmesine yol açmıştır.

Hidrojel mikroküreciklerin hazırlanması için çeşitli yöntemler mevcuttur. Geleneksel ALGMS hazırlama yöntemleri genellikle sol-jel yöntemini veya emülsiyon-sol yöntemini içerir. Bu yöntemler, hedef mikro küreleri elde etmek için çökeltme, birlikte çökeltme ve jelleşme reaksiyonları gibi adımları içerir8. Son yıllarda, mikroakışkan teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, mikroakışkan elektrosprey yöntemi yavaş yavaş verimli ve hassas bir mikroküre hazırlama yöntemi haline gelmiştir9. Bu yöntem, sonraki kürleme veya çapraz bağlama işlemi10 sırasında mikrometre boyutunda damlacıklar ve mikro küreler oluşturmak için bir polimer çözeltisini mikro ince bir nozuldan elektrosprey hale getirmek için mikroakışkan teknolojisini kullanır. Geleneksel yöntemle karşılaştırıldığında, mikroakışkan elektrosprey, çözelti akış hızı, voltaj ve ince nozul boyutu11 gibi parametreleri ayarlayarak mikroküre parçacık boyutunun ve morfolojisinin hassas kontrolünü sunar. Ayrıca, mikro küreciklerin yüksek hızlı sürekli hazırlanmasını sağlayarak hazırlama verimliliğini artırır ve hafif reaksiyon koşullarını korur. Ek olarak, ALGMS, kontrollü salimli ilaçlar ve yüklü katalizörler gibi çeşitli işlevlere sahip olacak şekilde hazırlanabilir ve bu da çeşitli alanlarda kolay uygulanmasını sağlar.

Burada, mikroakışkan elektrosprey yöntemi kullanılarak ALG mikrokürelerinin hazırlanması için bir protokol sunuyoruz. İşlem, bir ALG çözeltisinin bir mikroakışkan cihazdan geçirilmesini ve elektrospreye tabi tutulmasını içerir. Elde edilen damlacıklar, çapraz bağlama reaksiyonunu başlatmak için farklı metal iyonları (Ca2 +, Cu2 +, Zn2 + ve Fe3 +) içeren çözelti içinde toplandı. Bu reaksiyon, mikro kürelerin stabilitesini ve yapışmasını geliştirir ve onlara farklı işlevler kazandırır. Bu yöntemin gerçekleştirilmesi kolaydır ve sentezlenen mikro küreler, morfolojilerinde iyi bir boyut homojenliği sergiler. Ek olarak, antimikrobiyal özelliklerini, yavaş ilaç salma yeteneklerini ve biyouyumluluklarını araştırdık. Bu protokol daha fazla ilaç geliştirme ve üretimi için faydalı olacaktır.

Protocol

Deneylerde kullanılan kan, 20-25 g ağırlığında ve yaklaşık 7 haftalık SPF dereceli BALB/c dişi farelerden elde edildi. Zhejiang Shuren Koleji Hayvan Deneyleri Etik Kurulu, tüm hayvan bakımı ve deney prosedürlerini onayladı. 1. Çözelti hazırlama ALG’yi tartın ve %2 ALG çözeltisi elde etmek için 50 °C’de bir su banyosunda karıştırarak ultra saf suda çözün. Ultra saf suda %5 (veya molar kütle konsantrasyonu 0.3 M’dir) CaCl2</…

Representative Results

Farklı metal iyonları ile çapraz bağlı ALGMS’nin karakterizasyonuCa-ALGMS, Cu-ALGMS, Zn-ALGMS ve Fe-ALGMS’nin optik morfolojisi Şekil 2’de gösterilmiştir ve iyi küresellik, pürüzsüz yüzey, düzgün parçacık boyutu dağılımı (Ek Şekil 2) ve mükemmel monodispersite sergiler. Ayrıca taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) analizi kullanarak mikroskobik karakterizasyon gerçekleştirdik. <strong cla…

Discussion

Bu protokolde, mikroakışkan elektrosprey teknolojisine dayalı ALGMS hazırlamak için bir yöntem sunuyoruz. Yöntemin kullanımı basittir ve düzgün yuvarlaklığa ve kontrol edilebilir çapa sahip çok sayıda mikro küre verir. Bu yaklaşım araştırmacılara kolaylık sağlar ve hidrojel mikroküreciklerin araştırılmasını ve uygulanmasını teşvik edebilir. Ek olarak, farklı metal iyonları ile çapraz bağlanma yoluyla, ALGMS’nin stabilitesi ve biyoaktivitesi iyileştirildi. Antimikrobiyal deneylerde, C…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Zhejiang Shuren Üniversitesi araştırma projesi (2023R053 ve 2023KJ237) tarafından desteklenmiştir.

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