Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Kontrollü İlaç Release için Manyetik Alan-Duyarlı Hibrid Jelatin mikroj Alternatif

9.5K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/53680

⸱

13 Şubat 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biological Sciences, Kent State University, 2Liquid Crystal Institute, Kent State University, 3Chemical Physics Interdisciplinary Program, Kent State University

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

Biz manyeto-termal duyarlı bir biyolojik olarak parçalanabilen jelatin bazlı ilaç salım platformu imal etmek, basit bir yöntem mevcut. Bu değişen bir manyetik alan uygulama sistemi ile bağlantılı olarak, genipin ile çapraz bağlanmış küresel jelatin mikro ağ içinde süperparamanyetik demir oksit nano-tanecikleri ve poli (N-isopropylacrylamide- CO -akrilamit) eklenerek elde edildi.

Özet

sıkı bir şekilde kontrol, on-demand ilaç dağıtım sağlamak manyetik duyarlı nano / mikro-mühendislik biyomateryaller biyomedikal uygulamalarda akıllı yumuşak cihazların yeni tip olarak geliştirilmiştir. Manyetik açıdan karşılık veren ilaç verme sistemleri bir dizi kavramı çalışmalar ya da in vivo ön klinik uygulamalarda da in vitro kanıt ile arasında etkili sonuçlar göstermiştir, ancak klinik ortamlarda kullanımı hala yetersiz biyolojik uygunluk veya biyodegradasyon ile sınırlıdır. Ayrıca, mevcut platformların birçoğu uydurmaları için sofistike teknikler güveniyor. Son zamanlarda, fiziksel olarak üç boyutlu bir jelatin ağı içinde küçük bir bileşen olarak poli (N-isopropylacrylamide- CO -akrilamit) zincirden tutulmasıyla da biyolojik olarak parçalanabilen, jelatin esaslı termo-duyarlı mikrojelin imalat göstermiştir. Bu çalışmada, bir manyeto-t sağlayan bir biyolojik olarak parçalanabilir ilaç serbest bırakma plâtformu imal etmek için kolay bir yöntem sunmakhermally ilaç salımı tetiklenir. Bu değişen bir manyetik alan uygulama sistemi ile bağlantılı olarak, jelatin esaslı koloidal mikrojelleri olan süperparamanyetik demir oksit nano-tanecikleri ve termo-duyarlı polimerlerin dahil edilmesiyle elde edilmiştir.

Giriş

Uyaranlara yanıt endojen veya eksojen uyaranlara birine yanıt olarak bir sıkı kontrollü ilaç verme sağlayacak ilaç verme sistemleri (örn., Sıcaklık ya da pH) yoğun ilaç iletimi için, akıllı yazılım cihazların yeni türleri incelenmiştir. Mikro hidrojeller yaygın da kontrol edilebilir ve sürdürülebilir bir ilaç salınım profillerini ve ayarlanabilir mekanik ve kimyasal özellikleri 1-3 kazandırmalarıdır bir ilaç verme platformu olarak kullanılmıştır. Özellikle, kolloidal mikrojeller nedeniyle dış uyaranlara ve minimal invaziv bir şekilde 4 yerel dokuya uygun Püskürtülebilirlik onların hızlı yanıt için ilaç dağıtımı için bir araç olarak birçok avantaj sergilemektedir. Poli (N-izopropil akrilamid) (pNIPAM) veya bunun kopolimerleri yaygın jelatin, çitosan, alginat asit ya da hyaluronic asit de dahil olmak üzere biyolojik olarak parçalanabilir / biyo-uyumlu polimerler ile pNIPAM aşılanmasıyla termo-duyarlı mikrojellerinin sentezlenmesi benimsenmiştir 5,6, Burada alt kritik çözelti sıcaklığı (LCST'nin) de pNIPAM bir faz geçiş karakteristiği ilaç salımının 7'nin bir tetikleyici olarak kullanılabilir. Son zamanlarda poli eklenerek biyolojik olarak parçalanabilen, jelatin esaslı termo-duyarlı mikro jelin bir imalat göstermiştir (N-isopropylacrylamide- CO -akrilamit) [p (NIPAM- CO -AAm)], üç boyutlu jelatin ağları 8 içinde küçük bir bileşen olarak zincirler. Jelatin / s (NIPAM- CO -AAm) mikrojel pozitif büyükbaş hayvan serum albümini (BSA) serbest bırakılması için, ilişkili sıcaklık artışı, bir ayarlanabilir büzülme sergilemiştir.

Son birkaç yıl içinde, bir on-demand moda 9,10 ilacın salımını tetikleyebilir bir manyetik duyarlı ilaç dağıtım platformu geliştirmek için çabalar artmaktadır. manyetik yanıt ilaç verme platformun sentezi için temel prensip süperparamanyetik nanopartiküllerin özelliği (kullanırbir sıcaklığa duyarlı madde salgılar manyetik alan (AMF), yüksek frekanslı dalgalı aldığınızda MNPS) ısı üretmek için. Bu, bu sistem dokusu içine derin hedef olabilir gelecekteki klinik uygulamalar için umut vaat non-invaziv ve uzaktan kontrollü ilaç salımını sağlayan ve hipertermi tedavisi ve manyetik rezonans görüntüleme sistemiyle 10-12 ile kombine edilebilir. Bu tür platformlar aşağıdakileri içerir: (1) MNPS / pNIPAM hibrid mikrojel tanecikleri 13-15 ve (2) makroskopik hidrojel iskeleleri immobilize da kapsayan MNPS 16-18. pNIPAM tabanlı mikrojel platformları manyetik-termik uyaranlara ince ayarlanabilir hacimli faz geçiş tepki gösterdi. Bununla birlikte, potansiyel olarak in vivo uygulamaları sınırlayabilir hücre 19 için sitotoksik olabilir imalat ve içeriği yüksek olan pNIPAM polimerlerin kullanımında karmaşık ve sofistike teknikler de kullanabilir. makroskopik iskeleleri göreli sergileyenly yavaş dış uyaranlara tepki ve kolloidal mikrojelleri kıyasla invazif cerrahi nakli gerektirir.

Su-içinde-yağ emülsiyonlaştırıcı milimetre altı ya mikrometre büyüklüğünde jeli 20 partiküllerinin üretilmesi için standart yöntem olmuştur. emülsiyonun su-yağ arayüz olarak, mikrojel partikül bağlı mekanik kesme kuvveti altında su damlasının yüzey enerjisinin azaltılması için küresel bir şekil oluşturur. Bu yöntem, basit bir üretim prosedürü sulu küresel jel damlacıklarının büyük bir miktarda üretimine olanak sağlayan ve başarılı bir şekilde ilaç verme uygulamaları 21-23 jelatin bazlı mikrojellerinin imal edilmesi için kabul edilmiştir.

Burada, su-içinde-yağ emülsiyonlaştırıcı yöntemi ile ilaç verme uygulaması için magnetothermally duyarlı jelatin esaslı mikrojellerinin sentezlemek için, basit bir yöntem sunulmaktadır. Bu fiziksel içeren demir oksit MNPS ve p (NIPAM- eş tarafından sağlandı -AAm) kovalent bir manyetik alan (AMF) uygulama sistemi, yüksek frekanslı dalgalı ile bağlantılı olarak, doğal olarak türetilen çapraz bağlayıcı genipin ile çapraz bir küresel mikro jelatin ağı içinde küçük bir bileşen olarak zincirler.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Not: Manyetik alan-duyarlı jelatin mikrojellerinin imal genel proses Şekil 1A'da gösterilmiştir.

1. hazırlanması Çözümler ve süspansiyonlar

  1. fosfat tamponlu tuzlu su ve 2 ml genipin 20 mg eriterek çapraz bağlayıcı genipin çözeltisi (w / v% 1) hazırlanması (1 x PBS, pH 7.4). Vortex 2 saat süreyle 50 o C su banyosunda çözüm ve yeri tamamen çözümü çözmek için.
  2. 100 konsantrasyonda olduğu 200 ml PBS içinde (L64 olarak adlandırılır ağırlık M = 2900 Da), poli (etilen glikol), 20 mg -poli (propilen glikol) -poli (etilen glikol) eriterek bir yüzey aktif madde çözeltisi hazırlayın ppm.
  3. PBS 0.43 ml jelatin 64.5 mg eritilmesi ile% 15 (a / h) jelatin çözeltisi hazırlayın. Çözümü akışkan hale bir sol faz, ulaşıncaya kadar vorteks çözüm ve 37 o C su banyosunda üzerine yerleştirin. th sağlamak için 3 kez - Sonra, jelatin çözeltisi 2 vorteksörnek E homojenliği.
  4. P (NIPAM- CO -AAm) Model ilaç / MNPS çözeltisi (BSA) hazırlanması:
    1. PBS 0.43 ml hidrofilik MNPS 10.75 mg dağılması ve daha sonra% 3 konsantrasyonda olmak için MNP süspansiyon içinde p 12.9 mg (NIPAM- -AAm Co) çözülür (a / h). P artan konsantrasyonu (NIPAM- -AAm Co) mikrojellerin artırılmış yeniden şişebilme davranış elde etmek için kullanılabilir.
    2. Texas Kırmızı bağlı sığır serum albümini kullanarak (TR-BSA; M ~ 66 kDa W) Model ilaç olarak. P karışımı (NIPAM- -AAm ko) / MNPS TR-BSA, 0.5 mg çözülür.
  5. Daha sonra P (NIPAM- CO -AAm) karışımı / jelatin çözeltisi içine MNPS (0.43 mi) (0.43 mi) ilave edilerek jelatin / p (NIPAM- CO -AAm) / MNPS / BSA çözeltisi (0.86 mi) karışımları hazırlamak iyice homojen bir karışım yapmak için onları girdap. Bu nedenle, polimerler ve MNP konsantrasyonlar nihai karışım başlangıç ​​konsantrasyonları yarısı olmuştur.

2. emülsifikasyon

  1. Temiz ve steril behere silikon yağı [polidimetilsiloksan (viskozite 350 cSt)] 15 ml dökün.
  2. Hemen silikon yağı içinde jelatin / p (NIPAM- CO -AAm) / MNPS / BSA çözeltisi (0.86 mi) önceden hazırlanmış sulu bir karışımını ekleyin ve 900, bir manyetik karıştırma çubuğu ile karıştırıldı yağ fazında sulu bir karışımı emülsiyon haline 30 dakika boyunca 30 o C'de rpm.

Sulu çözelti 3. jelleşme ve mikro-damlacıklarının Transferi

  1. 50 ml'lik bir tüp içine kaptan emülsiyonun (~ 16 mi) aktarın.
  2. yağ içinde mikro damlacıkların katılaşma işlemi için 4 ° C'de 10 dakika süre ile boru soğutun.
  3. 50 ml kadar (4 o C'de) hazırlanan L64 çözeltisi ile tüp doldurun ve şiddetle tüp sallayın. L64 yüzey aktif maddelerin bir kısmı mikrojelleri içinde olacaktır mümkün olabilir.
  4. 4 O ° C'de 2300 x g'de 20 dakika boyunca santrifüj tüpü
  5. Regularly tüp tarafında jel parçacıklarının pelet olup olmadığını kontrol edin. parçacıklar görülmeyen durumlarda, aynı hız ve sıcaklıkta 20 dakika daha santrifüj. dikkatli bir şekilde borunun iç duvarı üzerinde oluşturulmuş pelet bozmadan süpernatan devam edin.
  6. Adımlarını tekrarlayın (3.5) ile (3.3) bir kez daha. Her zaman, mikrojel süspansiyon içinde bir yağ damlacıklarının oluşumunu önlemek için yeni bir tüpe örnek aktarmak. Bu aşamadan sonra, yüzey aktif maddeler ya da yağ damlacıkları Örnek süspansiyon içinde mevcut değildir emin olun. Bununla birlikte, tekrar ayrıştırma adımları başlangıç ​​malzemeleri kaybına neden olabilir.

Mikrojellerin 4. kovalent çapraz bağlanması

  1. Jel parçacıklarının pelet genipin çözeltisi (Bölüm 1 'de hazırlandı) 2 ml ilave edilir ve çözelti girdaplanarak iyice karıştırın.
  2. Hızlı bir DES sırasında kovalent çapraz bağlama reaksiyonu başlatmak için 23 o C'de su banyosu içinde süspansiyon tüp transferi(. Örneğin, 5-120 dakika) IRED çapraz bağlantı süresi.
  3. Çapraz bağlama sonrasında hemen genipin çözeltisi atma PBS içinde yeniden süspansiyon haline getirilmesini mikrojellerinin ve 2300 x g'de (4 ° C) 20 dakika boyunca tüp santrifüjle aşırı bir çapraz bağlayıcılar çıkarın. Gerekirse, dikkatli ayrı bir pipet ile pelet kurdu molası. genipin hala çözelti içinde kalan, bu yıkama aşaması 3 kere tekrar edilebilir.
  4. Süpernatant atılır ve istenen yoğunlukta PBS içinde tekrar süspansiyon mikrojellerinin (örn., 5 x 10 6 mikrojeller / ml), bir hemasitometre ile sayılmasıyla.
  5. Mikroskobik gözlemler için bir slayt cam ve bir kapak kayma arasındaki boşlukta mikrojel süspansiyon yük ve epoksi reçine ile kapak kayma sınırını mühür.

İlaç Release Tetikleme için Alternatif Manyetik Alan 5. Uygulama

  1. sulu ortam içinde mikrojelleri istenen konsantrasyonu ile TüpManyetik bobinler odası. Gerekirse, AMF uygulama sırasında ortamın sıcaklık değişimini izlemek için bir tüp içine, bir fiber optik sıcaklık probu yerleştirin.
  2. Tanımlanmış bir alan şiddeti (> 5 kA / m) ve belirli bir süre için yüksek frekanslı (> 100 kHz) AMF uygulayın. AMF uygulanmasının ardından santrifüj 2.273 x g'de (4 ° C) ve spektrofotometri ile çevredeki ortama mikrojelin serbest TR-BSA miktarını belirlemek için süpernatan toplamak 20 dakika boyunca örnek tüpü. Teksas Kırmızısı için uyarma ve emisyon dalga boyları sırasıyla 584 nm ve 612 nm dir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Protokolü doğru gerçekleştirildiğinde, imal edilmiş mikro-j eller aralığı 20 um ila 5 um arasında (Şekil 1B, C) ​​'de çapları ile iyi karakterize edilen küresel bir morfoloji ve kolloidal dispersiyon sergilemelidir. Floresan MNPS veya floresan BSA ya MNPS ya da uyuşturucu (bu çalışmada BSA) doğru mikrojelin (Şekil 1D) içinde kapalı olup olmadığını teyit etmek için kullanılabilir. Imal mikrojeller kararlı ve kolajenaz da dahil olmak üzere herhangi bir...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Burada anlatılan teknoloji manyeto-termal tetiklenen ilaç salınımı için nanoparçacık-mikrojel melezleri kullanımına ilişkin kavramının bir kanıtı göstermektedir. Bu durum, fiziksel genipin ile çapraz bağlanmış bir mikro üç boyutlu jelatin ağında MNPS ve p (NIPAM- CO -AAm) zinciri tutulmasıyla da elde edilmiştir. Manyetik alan-duyarlı bir platform da model bir ilaç, BSA serbest tetiklenen uzaktan tatbik AMF, yanıt olarak mikro jelin içindeki ısı üretmek için yeterli olmuştur.

MNPS ve...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma Farris Aile İnovasyon Ödülü ve MK NIH 1R01NR015674-01 tarafından desteklenmiştir. Yazarlar elektro-manyetik jeneratör sistemi yanı sıra, onun teknik danışmanlık sağlamak için Josep Nayfach (Qteris, Inc) teşekkür ederim. Yazarlar ayrıca onun teknik asistanlar için Huan Yan (LCI ve Kimya Fizik Disiplinlerarası Programı, Kent State Üniversitesi) teşekkür ederim.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
JelatinSigma-Aldrich, MO, ABDG2500Jelatin tip A, domuz derisi
poli (N-izopropilakrilamid-ko-akrilamid) Sigma-Aldrich, MO, ABD738727MW = 20.000, LCST = 34 - 38 ° C
Silikon yağıSigma-Aldrich, MO, ABD378372Viskozite 350 cSt
Plüoronik L64Sigma-Aldrich, MO, ABD435449poli (etilen glikol) - blok poli (propilen glikol) -blok-poli (etilen glikol)
genipinTimTec LLC, DE, ABDMW = 226.23
Manyetik nanopartiküller (MNP'ler)Micromod Inc, Almanya79-00-102nanomag-D-spio, 100 nm
TR-BSAYaşam Teknolojileri, NY ABDA23017Sığır Serumu (BSA) Albümini, Teksas Kırmızı konjugatı
ST080860

Kaynaklar

  1. Langer, R. Biomaterials in drug delivery and tissue engineering: one laboratory's experience. Acc. Chem. Res. 33, 94-101 (2000).
  2. Rivest, C. M., Morrison, D., Ni, B., Rubib, J., Yadav, V., Mahdavi, A., Karp, J., Khademhosseini, A. Microscale hydrogels for medicine and biology: synthesis, characteristics and applications. J Mech Mater Struct. 2, 1103-1119 (2007).
  3. Kawaguchi, H. Thermoresponsive microhydrogels: preparation, properties and applications. Polym. Int. 63, 925-932 (2014).
  4. Vinogradov, S. V. Colloidal microgels in drug delivery applications. Curr. Pharm. Des. 12, 4703-4712 (2006).
  5. Liechty, W. B., Kryscio, D. R., Slaughter, B. V., Peppas, N. A. Polymers for drug delivery systems. Annu Rev Chem Biomol Eng. 1, 149-173 (2010).
  6. Kumari, A., Yadav, S. K., Yadav, S. C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids Surf. B Biointerfaces. 75, 1-18 (2010).
  7. Shibayama, M., Tanaka, T. Volume Phase-Transition and Related Phenomena of Polymer Gels. Adv Polym Sci. 109, 1-62 (1993).
  8. Sung, B., Kim, C., Kim, M. H. Biodegradable colloidal microgels with tunable thermosensitive volume phase transitions for controllable drug delivery. J Colloid Interface Sci. 450, 26-33 (2015).
  9. Kumar, C. S., Mohammad, F. Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 63, 789-808 (2011).
  10. Mura, S., Nicolas, J., Couvreur, P. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery. Nat. Mater. 12, 991-1003 (2013).
  11. Kong, S. D., et al. Magnetic field activated lipid-polymer hybrid nanoparticles for stimuli-responsive drug release. Acta biomaterialia. 9, 5447-5452 (2013).
  12. Hayashi, K., et al. Magnetically responsive smart nanoparticles for cancer treatment with a combination of magnetic hyperthermia and remote-control drug release. Theranostics. 8, 834-844 (2014).
  13. Suzuki, D., Kawaguchi, H. Stimuli-sensitive core/shell template particles for immobilizing inorganic nanoparticles in the core. Colloid Polym Sci. 284, 1443-1451 (2006).
  14. Bhattacharya, S., Eckert, F., Boyko, V., Pich, A. Temperature-, pH-, and magnetic-field-sensitive hybrid microgels. Small. 3, 650-657 (2007).
  15. Wong, J. E., Gaharwar, A. K., Muller-Schulte, D., Bahadur, D., Richtering, W. Dual-stimuli responsive PNiPAM microgel achieved via layer-by-layer assembly: Magnetic and thermoresponsive. J Colloid Interf Sci. 324, 47-54 (2008).
  16. Zhao, X., et al. Active scaffolds for on-demand drug and cell delivery. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 67-72 (2011).
  17. Xu, F., et al. Release of magnetic nanoparticles from cell-encapsulating biodegradable nanobiomaterials. ACS nano. 6, 6640-6649 (2012).
  18. Li, Y. H., et al. Magnetic Hydrogels and Their Potential Biomedical Applications. Adv Funct Mater. 23, 660-672 (2013).
  19. Cooperstein, M. A., Canavan, H. E. Assessment of cytotoxicity of (N-isopropyl acrylamide) and poly(N-isopropyl acrylamide)-coated surfaces. Biointerphases. 8, 19(2013).
  20. Jorgensen, L., Moeller, E. H., van de Weert, M., Nielsen, H. M., Frokjaer, S. Preparing and evaluating delivery systems for proteins. Eur J Pharm Sci. 29, 174-182 (2006).
  21. Holland, T. A., Tabata, Y., Mikos, A. G. In vitro release of transforming growth factor-beta 1 from gelatin microparticles encapsulated in biodegradable, injectable oligo(poly(ethylene glycol) fumarate) hydrogels. J Control Release. 91, 299-313 (2003).
  22. Liang, H. C., Chang, W. H., Lin, K. J., Sung, H. W. Genipin-crosslinked gelatin microspheres as a drug carrier for intramuscular administration: in vitro and in vivo studies. J Biomed Mater Res. Part A. 65, 271-282 (2003).
  23. Solorio, L., Zwolinski, C., Lund, A. W., Farrell, M. J., Stegemann, J. P. Gelatin microspheres crosslinked with genipin for local delivery of growth factors. J Tissue Eng Regen Med. 4, 514-523 (2010).
  24. Regmi, R., et al. Hyperthermia controlled rapid drug release from thermosensitive magnetic microgels. J Mater Chem. 20, 6158-6163 (2010).
  25. Kim, M. H., et al. Magnetic nanoparticle targeted hyperthermia of cutaneous Staphylococcus aureus infection. Ann Biomed Eng. 41, 598-609 (2013).
  26. Ivkov, R., et al. Application of high amplitude alternating magnetic fields for heat induction of nanoparticles localized in cancer. Clin Cancer Res. 11, 7093s-7103s (2005).
  27. Huang, S., Fu, X. Naturally derived materials-based cell and drug delivery systems in skin regeneration. J Control Release. 142, 149-159 (2010).
  28. Malafaya, P. B., Silva, G. A., Reis, R. L. Natural-origin polymers as carriers and scaffolds for biomolecules and cell delivery in tissue engineering applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 59, 207-233 (2007).
  29. Shah, R., Kim, J., Agresti, J., Weitz, D., Chu, L. Fabrication of monodisperse thermosensitive microgels and gel capsules in microfluidic devices. Soft Matter. 4, 2303-2309 (2008).
  30. Hoare, T., et al. Magnetically triggered nanocomposite membranes: a versatile platform for triggered drug release. Nano letters. 11, 1395-1400 (2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Manyetik Alan Duyarlı MikrojellerJelatin Tabanlı MikrojellerSüperparamanyetik Demir Oksit NanoparçacıklarıPNIPAM Kopolimer HapsetmeSu-Yağ EmülsifikasyonuGenipin Çapraz Bağlamaİlaç Salınım KantifikasyonuSpektrofotometrik TespitMikrojel Morfoloji Analizi
Kontrollü İlaç Release için Manyetik Alan-Duyarlı Hibrid Jelatin mikroj Alternatif
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.