Poliuretano Magnético y Térmico

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Este manuscrito describe la preparación de microgeles magnéticos y termosensibles a través de una emulsión inducida por temperatura sin reacción química. Estos microgeles sensibles se sintetizaron mezclando nanopartículas de poli ( N- isopropilacrilamida) (PNIPAAm), polietilenimina (PEI) y Fe 3 O 4 -NH 2 para el uso potencial en liberación de fármaco activada magnéticamente y térmicamente.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Se diseñaron y fabricaron para la liberación activada magnéticamente los microgeles de poli ( N- isopropilacrilamida) sensiblemente magnéticamente y térmicamente sensibles (PNIPAAm) / Fe3O4 - NH2 con la curcumina anticancerosa encapsulada (Cur). Los microgeles magnéticos basados ​​en PNIPAAm con una estructura esférica se produjeron mediante una emulsión inducida por temperatura seguida de reticulación física mezclando PNIPAAm, polietilenimina (PEI) y nanopartículas magnéticas de Fe3O4 - NH2. Debido a su dispersidad, las nanopartículas de Fe3O4 - NH2 fueron incrustadas dentro de la matriz polimérica. Los grupos amina expuestos en la superficie de Fe3O4 - NH2 y PEI soportaron la estructura esférica por reticulación física con los grupos amida del PNIPAAm. El fármaco anticanceroso hidrofóbico curcumina puede dispersarse en agua después de la encapsulación en los microgeles. Los microgeles se caracterizaronPor microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y análisis espectral UV-Vis. Además, la liberación activada magnéticamente se estudió bajo un campo magnético externo de alta frecuencia (HFMF). Se observó una "liberación de ráfaga" significativa de curcumina después de aplicar el HFMF a los microgeles debido al efecto de calentamiento inductivo magnético (hipertermia). Este manuscrito describe la liberación controlada magnéticamente activada de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 encapsulada curcumina, que puede ser potencialmente aplicada para terapia de tumores.

Introduction

Los hidrogeles son redes poliméricas tridimensionales (3D) que no pueden disolverse pero que pueden hincharse en soluciones acuosas 1 . Las redes poliméricas tienen dominios hidrófilos (que pueden hidratarse para proporcionar la estructura del hidrogel), y una conformación reticulada (que puede impedir el colapso de la red). Se han investigado diversos métodos para la preparación de hidrogeles, tales como polimerización en emulsión, copolimerización aniónica, reticulación de cadenas poliméricas vecinas y polimerización inversa en microemulsión 2 . Se introducen entrecruzamientos físicos y químicos a través de estos métodos para obtener hidrogeles estructuralmente estables 1 , 3 . La reticulación química requiere normalmente la participación del agente de reticulación, que conecta el esqueleto o la cadena lateral de los polímeros. En comparación con el reticulado químico, la reticulación física es una mejor opción para fabricar Debido a la evitación de un agente reticulante, ya que estos agentes son a menudo tóxicos para aplicaciones prácticas 4 . Se han investigado varios enfoques para sintetizar hidrogeles físicamente reticulados, como reticulación con interacción iónica, cristalización, unión entre bloques anfifílicos o injertos en las cadenas poliméricas, y enlaces de hidrógeno 4 , 5 , 6 , 7 .

Los polímeros sensibles a los estímulos, que pueden experimentar cambios de propiedades conformacionales, químicos o físicos en respuesta a diferentes condiciones ambientales (temperatura, pH, luz, fuerza iónica y campo magnético), han atraído recientemente la atención como una plataforma potencial para sistemas de liberación controlada , La administración de fármacos y la terapia contra el cáncer 8 , 9 ,El PNIPAAm es un polímero térmicamente sensible, que contiene grupos amida hidrófilos y grupos isopropilo hidrófobos, y tiene una temperatura crítica más baja de la solución (LCST) 13. La unión de hidrógeno entre grupos amida y moléculas de agua proporciona la dispersidad de PNIPAAm en solución acuosa a bajas temperaturas (por debajo de la LCST), mientras que el enlace de hidrógeno entre cadenas poliméricas se produce a altas temperaturas (por encima de la LCST) Moléculas de modo que la red de polímero se derrumba.En relación con esta propiedad única, se han publicado muchos informes para preparar hidrogeles auto-ensamblados disparados por temperatura, ajustando la relación hidrofóbica e hidrófila de la longitud de la cadena polimérica, tal como copolimerización, Modificación en cadena para los farmacéuticosCal plataformas 14 , 15 , 16 , 17 .

Los materiales magnéticos como el hierro, el cobalto y el níquel también han recibido mayor atención durante las últimas décadas para las aplicaciones bioquímicas [ 18] . Entre estos candidatos, el óxido de hierro es el más utilizado debido a su estabilidad y baja toxicidad. Los óxidos de hierro nanométricos responden instantáneamente al campo magnético y se comportan como átomos superparamagnéticos. Sin embargo, estas pequeñas partículas se agregan fácilmente; Esto reduce la energía superficial, y por lo tanto pierden su dispersidad. Con el fin de mejorar la dispersión en agua, el injerto o el recubrimiento para proteger la capa se aplican comúnmente no sólo para separar cada partícula individual de estabilidad, sino también para funcionalizar aún más el sitio de reacción 19 .

Aquí, hemos fabricado magnético PNIPAAm basado en microGeles para servir como portadores de fármacos para sistemas de liberación controlada. El proceso de síntesis se describe y se muestra en la Figura 1 . En lugar de copolimerización complicada y reticulación química, se empleó la nueva emulsión inducida por temperatura de PNIPAAm seguida de reticulación física para obtener los microgeles sin agentes tensioactivos o reticulantes adicionales. Esto simplificó la síntesis y evitó toxicidad indeseada. Dentro de un protocolo de preparación tan simple, los microgeles as-sintetizados ofrecieron dispersidad de agua tanto para las nanopartículas magnéticas de óxido de hierro como para el fármaco hidrofóbico anticanceroso, la curcumina. FT-IR, TEM y la obtención de imágenes proporcionaron evidencia de dispersión y encapsulación. Debido al Fe 3 O 4 -NH 2 incrustado, los microgeles magnéticos mostraron potencial para servir como microdispositivos para liberación controlada bajo HFMF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Síntesis de nanopartículas magnéticas modificadas por superficie, dispersables en agua, Fe3O4 y Fe3O4-NH2

  1. Se añaden 14,02 g de FeCl $$ , 8,6 g de FeCl $ $ 4H $ $ O y 250 ml de agua a un vaso de precipitados de 500 ml.
  2. Conecte el rotor y el controlador para configurar la agitación mecánica. Mezclar la solución a 300 rpm durante 30 minutos a temperatura ambiente (RT).
  3. Añadir 25 ml de hidróxido de amonio (33%) a la solución a TA y mantener la agitación (300 rpm) durante 30 min. Mantenga el vaso abierto.
    PRECAUCIÓN: El hidróxido de amonio puede causar irritación en la nariz si se inhala. Este paso debe realizarse dentro de una campana extractora apropiada.
  4. Para recoger los óxidos magnéticos de hierro (Fe 3 O 4 ), retirar la agitación mecánica. Ponga un imán debajo del vaso para recoger las partículas negras.
    1. Después de precipitar completamente las nanopartículas de Fe $$ O $ , retire cuidadosamente el sobrenadante. No sacuda la bMientras se vierte el sobrenadante para evitar la pérdida de Fe $$ O $ $.
    2. Retire el imán y agregue 50 ml de agua dulce al vaso de precipitados.
    3. Agitar el vaso de precipitado para volver a dispersar el Fe 3 O 4 . Repita los pasos 1.4 a 1.4.2 tres veces para purificar el Fe 3 O 4 .
  5. Después del último lavado, transfiera todo el Fe 3 O 4 (10 g) en una botella de vidrio de 100 ml. Añadir agua hasta que el volumen total de la disolución sea de 100 ml. Agite la botella de vidrio vigorosamente hasta que no se vean grumos.
    NOTA: El protocolo se puede pausar aquí. Se preparan las nanopartículas de Fe $$ O $ $.
  6. Modificar el Fe 3 O 4 con aminosilano (Fe 3 O 4 -NH 2 ).
    1. Tomar la solución de 100 ml de la etapa 1.5 y transferirla a un vaso de precipitados de 1.000 ml. Añadir 10 ml de solución de amoníaco, 90 ml de agua y 900 ml de etanol al vaso de precipitados.
    2. Utilice una barra de agitación magnética para mezclar la solución en300 rpm. Añadir 500 μl de (3-aminopropil) trietoxisilano (APTES) gota a gota al vaso de precipitados a TA y agitar durante otras 12 h.
  7. Purificar y recoger el Fe3O4 - NH2 como se describe en la sección 1.4.
  8. Re-dispersar 1 g de Fe $ ₃ $ O $ $ -NH $ $ (de la etapa 1,7) en una botella de vidrio de 20 ml con 20 ml de agua.
    NOTA: El protocolo se puede pausar aquí. Se preparan las nanopartículas de Fe $ ₃ $ O $ $ -NH $ $.

2. Síntesis de Microgeles Híbridos Orgánicos-Inorgánicos por Emulsión Termoinducida

  1. Preparación de la solución 1-1 y 1-2 .
    1. Para la solución 1-1, añadir 0,25 g de PNIPAAm, 5 ml de solución de Fe3O4 (de la etapa 1,5) y 0,2 g de PEI a una botella de vidrio de 50 ml. Añadir 20 mL de agua y usar una barra de agitación magnética para agitar a 300 rpm durante 30 min.
    2. Para la solución 1-2, repetir el paso 2.1.1, pero sustituir Fe 3 O 4 como Fe3} O $ $ -NH $ $ (de la etapa 1,8).
  2. Para preparar la Solución 2 , añadir 0,8 g de PEI y 18,2 ml de agua a una botella de vidrio de 50 ml. Utilizar un baño de agua para calentar la solución a 70 ° C durante 30 min. Prepare una segunda botella de la Solución 2 .
  3. Preparación de PNIPAAm / Fe $$ O $ $ .
    1. Utilizar un disruptor de células ultrasónicas para sonicar (50 w), una barra de agitación magnética para agitar (300 rpm) y un baño de agua para calentar la Solución 2 (70 ° C).
    2. Añadir la solución 1-1 a la Solución 2 calentada, usando una jeringa de 3 ml a una velocidad de 1 ml / min.
    3. Seguir sonando, agitando y calentando a 70 ° C durante 30 min.
    4. Enfriar la solución a RT. Retire la solución del disruptor celular y baño de agua.
    5. Recoja los microgeles colocando el imán cerca de la botella de vidrio.
    6. Eliminar el sobrenadante afLos microgeles han precipitado al fondo de la botella de vidrio.
    7. Añadir otros 25 ml de agua a la botella de vidrio y volver a dispersar los microgeles por vórtex. Esta solución es PNIPAAm / Fe $$ O $ $.
      NOTA: El protocolo se puede pausar aquí.
  4. Preparación de PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ .
    1. Utilizar un disruptor de células ultrasónicas para sonicar (50 w), una barra de agitación magnética para agitar (300 rpm) y un baño de agua para calentar la Solución 2 (70 ° C).
    2. Añada la Solución 1-2 a la Solución 2 calentada, usando una jeringa de 3 mL a una velocidad de 1 mL / min.
    3. Seguir sonando, agitando y calentando a 70 ° C durante 30 min.
    4. Enfriar la solución a RT. Retire la solución del disruptor celular y baño de agua.
    5. Recoja los microgeles colocando el imán cerca de la botella de vidrio.
    6. Una vez que los microgeles se precipitan,El sobrenadante.
    7. Añadir otros 25 ml de agua a la botella de vidrio y volver a dispersar los microgeles por vórtex. Esta solución es PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $.
      NOTA: El protocolo se puede pausar aquí.

3. Preparación de microgeles cargados con curcumina (Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $)

NOTA: Estos pasos deben realizarse en la oscuridad.

  1. Añadir 100 mg de Cur y 20 ml de etanol a una botella de vidrio de 20 ml.
  2. Tomar 2 mL de la solución de Cur y transferir a la solución de PNIPAAm / Fe3O4-NH2 (paso 2.4.7). Agitar a 400 rpm y RT durante la noche.
  3. Después de agitar a 400 rpm y RT durante la noche, usar el imán para recolectar PNIPAAm / Fe3O4-NH2 como se describe en los pasos 2.4.5 y 2.4.6.
  4. Añadir otros 25 ml de agua a la botella de vidrio y volver a dispersar los microgeles por vórtex. Esta solución es C Ur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $.

4. Liberación magnética de fármacos

  1. Transferir 10 ml de la solución Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 y agregar 2 ml de agua a un tubo de centrifugación de 15 ml.
  2. Coloque el tubo de centrifugación en el centro de la bobina para aplicar el HFMF 20 . Aplicar HFMF a 15 KHz durante 20 min.
  3. Retirar 0,5 ml de la solución de HFMF y reemplazar con 0,5 ml de agua fresca cada 2 min de intervalo mientras se aplica el HFMF.
  4. Transferir la solución retirada a la cubeta de 1 ml.
  5. Medir la absorción de la solución extraída por UV / Vis a 482 nm 21 .
  6. Determinar la concentración de los fármacos liberados mediante el uso de la relación de absorción y concentración de una curva de calibración estándar [ 22] .
    NOTA: La relación de calibración estándar es:
    S / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg "/>
    Donde el coeficiente de correlación es 0,9993.

5. Caracterización de los Microgeles Magnéticos

  1. Analizador termogravimétrico (TGA) 23 .
    1. Medir la pérdida de peso de PNIPAAm / Fe 3 O 4 y PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 frente a la temperatura bajo atmósfera de aire por TGA.
      1. Calentar la muestra de RT a 100 ° C y mantener a esta temperatura durante 10 minutos para eliminar la humedad. Calentar la muestra de 100 ° C a 800 ° C a una velocidad de 10 ° C / min. Pesar las muestras.
      2. Trazar la pérdida de peso frente a la temperatura de PNIPAAm / Fe3O4 y PNIPAAm / Fe3O4-NH2.
        NOTA: El peso del residuo es Fe 3 O 4 o Fe 3 O 4 -NH 2 , mientras que el peso perdido es PNIPAAm.
  2. FT-IR"> 24.
    1. Se seca 10 mg de muestra con 1 g de KBr a 100 ° C durante la noche.
    2. Presionar la mezcla del paso 5.2.1 en gránulos como se describe en los siguientes pasos (5.2.2.1 - 5.2.2.5):
      1. Moler los materiales de la etapa 5.2.1 en un polvo fino usando un mortero y un mortero.
      2. Coloque el aparato ensamblado (mortero y mazo) en la prensa de pellets. Alinee el aparato exactamente en el centro de la prensa.
      3. Bombee la prensa hasta que se alcance una presión de 20.000 psi. Deje que el pellet se sienta a esa presión durante 5 min.
        PRECAUCIÓN: Alinee el aparato en el medio exacto de la prensa, de lo contrario la muestra se dispersará del mortero y causará lesiones debido a la exposición.
      4. Retire la boquilla que contiene el pellet y el pistón de la prensa.
      5. Gírelo al revés y bombee el pistón para forzar el gránulo.
    3. Registrar los espectros de absorción FT-IR de las muestras por FT-IR a frecuencias que van desde 400 hasta 4.000 cm -1 -1 de resolución 24 .
  3. Observaciones morfológicas por TEM 25 .
    1. Se deja caer la solución de muestra sobre una rejilla de cobre revestida con un colodión y luego se seca a RT o en un horno a 70ºC durante la noche.
    2. Tome imágenes TEM.
      NOTA: Los fuertes haces de electrones pueden dañar las muestras. Por lo tanto, las imágenes TEM deben tomarse lo más rápido posible.
  4. Capacidad de dispersión acuosa de polímeros y microgeles.
    1. Para preparar la solución de PNIPAAm, añada 7 mg de PNIPAAm y 7 ml de agua a una botella de vidrio de 7 ml. Utilice un vórtice para mezclar la solución hasta que no haya agregados.
    2. Para preparar la solución de PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $, transfiera 0,7 ml de solución de PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ (etapa 2.4.7) a una botella de vidrio de 7 ml y añada 6,3 ml de agua. Utilice un vórtice para mezclar la solución hasta que no haya precipitación.
    3. Preparar Cur-PNIPAAM / Fe $ ₃ $ O $ $ -NH $ $, transferir 0,7 ml de solución Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ (etapa 3,4) a una botella de vidrio de 7 ml y agregar 6,3 ml de agua. Utilice un vórtice para mezclar la solución hasta que no haya precipitación.
    4. Tome una fotografía de las soluciones (pasos 5.4.1 - 5.4.3) usando una cámara digital.
    5. Coloque las soluciones en un horno y ajuste la temperatura a 70 ° C. Espere 2 h hasta el equilibrio.
    6. Tome otra foto de las soluciones. Para mantener la temperatura, tome la foto en 1 minuto. Evite sacudir la botella de vidrio ya que esto puede volver a dispersar las precipitaciones.
  5. Para la recolección magnética de microgeles, coloque el imán fuerte cerca de la solución Cur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2 (paso 5.4.3). Espere hasta que los microgeles estén completamente recogidos, luego tome una foto.
    1. Retire el imán y agite la solución de microgel hasta que esté completamente dispersa. Toma otra foto. <Li

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

El esquema para la síntesis de micrógeles PNIPAAm / PEI / Fe3O4 - NH2 se muestra en la Figura 1 . TGA se aplicó para estimar la composición relativa del compuesto orgánico contra todo el microgel. Dado que sólo se podía quemar el compuesto orgánico PNIPAAm, se determinó la composición relativa de PNIPAAm y Fe3O4 (o Fe3O4 - NH2) y se muestra en la Tabla 1 . ¿Por qué los microgeles PNIPAAm / Fe3O4-NH2 muestran la mejor dispersión pero mantienen contenidos más bajos de óxidos de hierro? Debido a la mayor interacción y mejor dispersión en PNIPAAm / Fe3O4-NH2 que en PNIPAAm / Fe3O4, Fe3O4-NH2 es más fácil de reticular PNIPAAm que Fe3O4. Como resultado, los rendimientos de PNIPAAm / Fe $$ O 3 O 4 -NH 2 pueden reticular físicamente mucho más PNIPAAm en comparación con las nanopartículas de Fe 3 O 4 .

Las imágenes TEM de soluciones PNIPAAm y microgeles magnéticos se tomaron por cámara digital a temperatura ambiente. Como se muestra en la Figura 2a , no hay estructuras específicas en una solución pura de PNIPAAm a temperatura ambiente. Sin embargo, las partículas esféricas regulares de óxido de hierro( Figura 2b ) se observaron en microgeles PNIPAAm / Fe3O4 ( Figura 2c ) y PNIPAAm / Fe3O4-NH2 ( Figura 2d ), que proporcionaron evidencia de reticulación física resultante del enlace de hidrógeno entre PNIPAAm y PEI . La mayoría de las nanopartículas de Fe 3 O 4 sólo pueden ser adsorbidas en la superficie de la matriz basada en PNIPAAm y producidas agrupaciones de agregación ( Figura 2c ]. Sin embargo, las nanopartículas de óxido de hierro modificadas por APTES, Fe 3 O 4 -NH 2 pueden ser incrustadas en las partículas, debido a la mayor dispersión del agua y menor tamaño de las nanopartículas magnéticas ( Figura 3d ), en comparación con las nanopartículas de Fe 3 O 4 . Después de cargado con curcumina, la morfología de Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ ( FiGue 2e) estaba mucho más aislado que el de los microgeles magnéticos debido a la característica hidrofóbica de Cur. Los resultados también sugieren que Cur no sólo fue encapsulado en el interior, sino también absorbido en la superficie de los microgeles.

La preparación de microgel y la encapsulación de moléculas terapéuticas se identificaron mediante análisis FT-IR como se muestra en la Figura 3 . En comparación con Fe 3 O 4 de la literatura 19 , 26 , los picos de absorción recién aparecidos a 2927, 1203, 987 y 472 cm -1 se atribuyeron a la vibración de estiramiento CH, estiramiento Si-O-Si, Si-O Estiramiento y flexión de Si-O, respectivamente, lo que sugirió la modificación exitosa de APTES para cubrir la superficie de las nanopartículas de Fe 3 O 4 . También se observaron picos de vibración de Fe-O (584 cm -1 ) tanto en PNIPAAm / Fe3O4 $ ₃ $ O $ $ -NH $ $. Sin embargo, la intensidad relativa de la vibración de Fe-O fue mayor en PNIPAAm / Fe 3 O 4 que en PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 , lo que también apoyó nuestra descripción de la composición, que una mejor dispersión de agua llevó a una Mejor distribución estructural. Después del proceso de carga, aparecieron picos de absorción característicos de curcumina a 1509 y 3511 cm -1 referidos a curvatura C = C aromática y estiramiento OH, respectivamente, en espectros FT-IR de Cur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2, que Indicó el éxito de la encapsulación de la curcumina.

Las fotos de varios microgeles a 25 ° C o 70 ° C se muestran en la Figura 4 , en la que las soluciones lechosa y marrón representan la agregación de PNIPAAm y óxidos de hierro, respectivamente. En comparación con las Figuras 4a - c , no hubo agregaciones obviamente visibles en las soluciones PNIPAAm, PNIPAAm / Fe3O4 - NH2 y Cur-PNIPAAm / Fe3O4 - NH2 a temperatura ambiente (25ºC). La solución de PNIPAAm y los microgeles magnéticos se volvieron opacos cuando las soluciones se calentaron más arriba que la LCST de PNIPAAm como se muestra en la Figura 4d - f . Ambos microgeles magnéticos eran lechosos pero dispersos sin ninguna precipitación, lo que indicaba la gran dispersividad y unión física fuerte entre PNIPAAm, Fe3O4 - NH2 y curcumina. Como se muestra en la Figura 5 , los microgeles magnéticos podrían recogerse fácilmente con el imán y volver a dispersarse en la solución acuosa sin ninguna agregación después de retirar el imán. Los resultados indicaron que estos microgeles magnéticos podrían aplicarse potencialmente a un sistema de suministro acuoso como el cuerpo humano fO aplicaciones clínicas.

Los comportamientos de liberación in vitro de microgeles magnéticos se controlaron a través de HFMF. El aparato experimental montado se muestra en la figura 6 , donde el tubo de centrifugación debe estar en el centro de la bobina que lleva el campo magnético. La precipitación marrón localizada en el centro del tubo era los microgeles magnéticos, que se separaron de las soluciones bajo tratamientos HFMF.

El porcentaje de liberación magnética con y sin HFMF se monitorizó y se muestra en la Figura 7 . En comparación con el porcentaje de liberación sin HFMF en períodos idénticos (20 min), el porcentaje de liberación aumentó 2,5 veces bajo tratamiento con HFMF y la temperatura de la solución en masa se pudo elevar a más de 50ºC simultáneamente. Debido a la contención de polímeros termo-sensibles, PNIPAAm, los microgeles magnéticos podríanExprimir el fármaco encapsulado (Cur), resultando que la matriz polimérica de PNIPAAm se vuelve hidrófoba y luego se conjuga a alta temperatura (50ºC). Mientras tanto, la curcumina podría ser liberado para lograr la terapia contra el cáncer mediante la aplicación de la HFMF. El calentamiento local a partir de la inducción magnética sobre HFMF puede destruir la unión entre Cur y PNIPPAm, aunque se espera que el Cur hidrofóbico se una al PNIPPAm hidrofóbico a altas temperaturas. Además, el cambio de volumen (de hidrófilo a hidrófobo y de menor a mayor temperatura) de los microgeles magnéticos también exprimiría el Cur.

El aumento de temperatura de la solución a granel se registró y se muestra en la Figura 7 como la curva roja con el símbolo de diamante. Como se muestra, la temperatura aumentó primero con el tiempo de calentamiento y se estabilizó después de 14 min. La meseta debe ser la saturación del calentamiento inductivo magnético (hipertermia)En el agua a granel. Sin embargo, la temperatura localizada debe ser lo suficientemente alta como para exprimir el Cur.

Figura 1
Figura 1. Proceso de síntesis esquemático para micróbeles de PNIPAAm / PEI / Fe3O4-NH2.
Mezclar el PNIPAAm, Fe $$ O $ $ -NH $ $ y PEI juntos y calentar la mezcla a 70 ° C para introducir la unión en H para la preparación de microgel. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Imágenes TEM de Soluciones PNIPAAm y Microgeles Magnéticos. A) PNIPAAm, b) Fe $$ O $ $, c) PNIPAAm / Fe $$ O $ $, d) PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $, y e) Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $. Las imágenes TEM se tomaron para controlar la dispersidad y morfología de las muestras. Las muestras TEM se prepararon a TA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Espectros FT-IR de PNIPAAm, Fe3O4 - NH2, PNIPAAm / Fe3O4, PNIPAAm / Fe3O4-NH2 y Cur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2. Los microgeles sintetizados se mezclaron con KBr y se prensaron en gránulos. Se aplicó entonces FRIR para aclarar las interaccionesF PNIPAAm, Fe $$ O $ $ -NH $ $, PEI y curcumina controlando los cambios de absorción de los grupos funcionales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. Capacidades de dispersión acuosa de microgeles por debajo y por encima de la LCST: a) PNIPAAm, b) PNIPAAm / Fe3O4-NH2, y c) Cur-PNIPAAm / Fe3O4-NH2 a 25 ° C. D) PNIPAAm, e) PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $, y f) Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ a 70 ° C. Las soluciones de muestra se prepararon a TA y se calentaron hasta 70ºC. La fotoLos gráficos se tomaron bajo RT y 70 ° C con el fin de observar la dispersidad de agua de microgeles sintetizados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. Recogida de microgeles magnéticos cargados con curcumina por un imán. Cur-PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ se dispersaron en solución acuosa (izquierda) y se recogieron mediante un imán (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Aparato Experimental para Magnético-Trig Liberado con HFMF. El anillo blanco es la bobina de cobre. Se muestra el tubo de centrifugación que contiene los microgeles magnéticos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7. Liberación controlada de Microgeles Cur-PNIPAAm / Fe3O4 - NH2 a pH 7,4 con (Símbolo Cuadrado) y sin HFMF (Símbolo Círculo). Se muestra el porcentaje de liberación de curcumina de microgeles magnéticos con (negro, cuadrados) y sin (círculos negros) aplicando el HFMF. El aumento de la temperatura de Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 microgeles con HFMF se muestra en rojo (diamante). Las barras de error representan SD.= "_ Blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Muestras PNIPAAm (%) Fe $$ O $ $ (%)
PNIPAAm / Fe $$ O $ $ 32,37 68,63 (Fe $$ O $ $)
PNIPAAm / Fe $$ O $ $ -NH $ $ 68,56 31,44 (Fe $$ O $ $ -NH $ $)

Tabla 1. Composición Relativa (% peso) de las Nanopartículas Magnéticas y PNIPAAm en los Microgeles. La composición relativa de los microgeles magnéticos se calculó usando análisis TGA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Los pasos más importantes de la preparación se encuentran en la sección de protocolo 2, para la síntesis de los microgeles magnéticos por emulsión termo-inducida. Como se muestra en la Figura 2 (imágenes TEM), la estructura esférica de microgeles podría mantenerse a RT (inferior a la LCST) debido a la reticulación física resultante de la fuerte unión H entre PNIPAAm (grupos amida), PEI (grupos amina) Y Fe $ ₃ $ O $ $ -NH $ $ (grupos amina). Basándose en la comparación de la Figura 4 , los microgeles magnéticos están bien dispersados ​​a una temperatura baja (25ºC) o elevada (70ºC). Los microgeles también pueden recogerse mediante un imán y volver a dispersarse en solución homogénea como se muestra en la Figura 5 .

La preparación tradicional de hidrogeles sintetizados con monómeros hidrófobos e hidrófilos requiere normalmente la introducción de agentes de reticulación para obtener 3DRedes 4 , 5 , 6 , 7 . Sin embargo, los agentes reticulantes son difíciles de eliminar ya menudo causan efectos secundarios en su aplicación.

PNIPAAm puede agregarse o autoensamblarse en partículas bajo alta temperatura y también re-dispersarse en solución homogénea cuando la temperatura es más baja que su LCST. La reticulación y la modificación química se emplean a menudo para la preparación de hidrogeles para evitar el colapso de las redes 3D. Aquí se aplica la reticulación termo-inducida vía enlace de hidrógeno para sustituir las reacciones químicas, simplificando así el proceso de síntesis y preparación.

Para el éxito de la fabricación del hidrogel son críticos el proceso libre de polimerización y reticulación y la encapsulación de fármacos hidrófobos. Sin polimerización, el hidrogel podría eliminar los iniciadores y monómeros sin reaccionar que a menudo conducenA fuerte toxicidad. Aquí, hemos logrado la dispersión y encapsulación de compuestos inorgánicos (óxido de hierro) y moléculas hidrofóbicas (curcumina) a través de la superficie de modificación y la introducción de disolvente.

A través de ensayos de liberación in vitro ( Figura 7 ), se encontró que los microgeles magnéticos tenían un aumento eficiente tanto de la temperatura como del porcentaje de liberación en el campo magnético externo (HFMF) por el efecto de calentamiento inductivo magnético (hipertermia). Con las propiedades antes mencionadas, estos microgeles magnéticos basados ​​en PNIPAAm son candidatos potenciales para la liberación magnética y térmica de la terapia dirigida contra tumores.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo contó con el apoyo financiero del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) y parcialmente apoyado por el Instituto de Ciencias Atómicas y Moleculares, Academia Sínica.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics