자기 및 열에 민감한 폴리 (<em> N</em> - 이소 프로필 아크릴 아미드) 기반의 마그네틱 트리거 리간드 용 젤
Summary
이 원고는 화학 반응이없는 온도 유도 유제를 통한 자성 및 열에 민감한 마이크로 젤의 제조를 설명합니다. 이 민감한 마이크로 젤은 자기 적 및 열적으로 유발 된 약물 방출에 잠재적 인 용도로 폴리 ( N- 이소 프로필 아크릴 아미드 ) (PNIPAAm), 폴리에틸렌 이민 (PEI) 및 Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자를 혼합하여 합성되었습니다.
Abstract
캡슐화 된 항암제 인 curcumin (Cur)이 함유 된 자기 및 열에 민감한 폴리 ( N- isopropylacrylamide) (PNIPAAm) / Fe 3 O 4 -NH 2 마이크로 겔을 자력으로 방출되는 방출을 위해 설계하고 제작했습니다. PNIPAAm, PEI (polyethylenimine) 및 Fe 3 O 4 -NH 2 자성 나노 입자를 혼합하여 물리적 가교 결합시킨 온도 유도 유제를 통해 구형 구조의 PNIPAAm 기반 자성 마이크로 젤을 제조했습니다. 그들의 분산 때문에, Fe 3 O 4 -NH 2 나노 입자는 중합체 매트릭스 내부에 매립되었다. Fe 3 O 4 -NH 2 및 PEI 표면에 노출 된 아민 기는 PNIPAAm의 아미드 기와 물리적으로 가교 결합하여 구형 구조를지지했다. 소수성 항암제 인 curcumin은 microgels에 캡슐화 한 후 물에 분산시킬 수 있습니다. 마이크로 겔의 특징을 규명투과 전자 현미경 (TEM), 푸리에 변환 적외 분광법 (FT-IR) 및 UV-Vis 스펙트럼 분석에 의해 분석 하였다. 또한, 외부에서 고주파 자기장 (HFMF) 하에서 자기 적으로 방출되는 방출이 연구되었다. 자기 유도 가열 (고열) 효과로 인해 HFMF를 마이크로 겔에 적용한 후에 커큐민의 현저한 "폭발 방출"이 관찰되었습니다. 이 원고는 잠재적으로 종양 치료에 적용될 수있는 Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 캡슐화 된 curcumin의 자기 적으로 제어 된 방출을 설명합니다.
Introduction
하이드로 젤은 용해가 불가능하지만 수용액에서 팽창 할 수있는 3 차원 (3D) 고분자 네트워크입니다. 중합체 네트워크는 친수성 도메인 (하이드로 겔 구조를 제공하기 위해 수화 될 수 있음) 및 가교 결합 (네트워크의 붕괴를 방지 할 수 있음)을 갖는다. 유제 중합, 음이온 공중합, 인접한 고분자 사슬의 가교 결합 및 역 마이크로 유제 중합과 같은 하이드로 겔 제조를위한 다양한 방법이 연구되어왔다. 구조적으로 안정한 하이드로 겔 1 , 3 을 얻기 위해 물리적 및 화학적 가교 결합이 이러한 방법을 통해 도입됩니다. 화학적 가교는 일반적으로 중합체의 주쇄 또는 측쇄를 연결하는 가교 결합제의 참여를 필요로한다. 화학 가교 결합에 비해, 물리적 가교 결합은 fabr에 더 나은 선택입니다 가교제의 사용을 피하기 때문에 하이드로 젤을 사용한다. 이온 상호 작용, 결정화, 양친 매성 블록들 사이의 결합 또는 고분자 사슬상의 그 래프팅 및 수소 결합 4,5,6,7과 같은 가교 결합과 같은 물리적으로 가교 결합 된 하이드로 겔을 합성하기위한 몇 가지 접근법이 연구되었다.
다양한 환경 조건 ( 즉 , 온도, pH, 빛, 이온 세기 및 자기장)에 반응하여 구조적, 화학적 또는 물리적 특성 변화를 겪을 수있는 자극에 민감한 중합체는 최근 제어 방출 시스템의 잠재적 플랫폼으로 주목을 받았다 , 약물 전달 및 항암 치료 8 , 9 ,PNIPAAm은 친수성 아미드 기와 소수성 이소 프로필 기 모두를 함유하고 열적으로 민감한 중합체로 낮은 임계 용액 온도를가집니다. (xref "> 10 , 11 , 12) 연구원들은 고유 온도가 쉽게 조절 될 수있는 열 민감성 중합체에 초점을 맞추고 있습니다. (LCST) 13. 아미드 기와 물 분자 사이의 수소 결합은 저온 (LCST 이하)에서 수용액에서의 PNIPAAm의 분산을 제공하는 반면 고분자 사슬 사이의 수소 결합은 고온 (LCST 이상)에서 일어나며 물을 배제 함 이러한 독특한 성질과 관련하여, 공중 합체, 그래프트 또는 측쇄와 같은 중합체 사슬 길이의 소수성 및 친수성 비를 조절함으로써 온도 – 촉발되고 자기 – 조립 된 하이드로 겔을 제조하기위한 많은보고가 발표되었다 의약품 용 사슬 수정칼 플랫폼 ( 14 , 15 , 16 , 17)을 포함한다 .
철, 코발트 및 니켈과 같은 자성 재료는 지난 수십 년 동안 생화학 분야에서 주목을 받아 왔습니다 18 . 이러한 후보 물질 중 산화철은 안정성과 독성이 낮기 때문에 가장 널리 사용됩니다. 나노 크기의 산화철은 자기장에 즉각적으로 반응하고 초 상자성 원자처럼 행동합니다. 그러나, 그러한 작은 입자는 쉽게 집합한다. 이는 표면 에너지를 감소 시키므로 분산을 잃게됩니다. 수분 – 분산 성을 향상시키기 위해, 층을 보호하기위한 그라프 팅 또는 코팅은 안정성을 위해 각각의 개별 입자를 분리하는 것뿐만 아니라 반응 부위를 더 기능화하는 데에도 일반적으로 적용됩니다.
여기에서는 자기 PNIPAAm 기반 마이크로젤은 방출 제어 시스템을위한 약물 운반체 역할을합니다. 합성 과정은 그림 1 에 설명되어 있습니다. 복잡한 공중합 및 화학적 가교 결합 대신에, PNIPAAm의 새로운 온도 – 유도 에멀젼과 물리적 가교가 추가의 계면 활성제 또는 가교제없이 마이크로 젤을 얻기 위해 사용되었다. 이것은 합성을 단순화시키고 원하지 않는 독성을 방지한다. 이러한 간단한 준비 프로토콜 내에서, 합성 된 미크로 겔은 자성 산화철 나노 입자 및 소수성 항암제 인 커큐민 모두에 수분 산성을 제공했다. FT-IR, TEM 및 영상은 분산 및 캡슐화의 증거를 제공했습니다. 내포 된 Fe 3 O 4 -NH 2 때문에, 자기 마이크로 겔은 HFMF 하에서 제어 방출을위한 마이크로 장치로서의 역할을했다.
Protocol
Representative Results
Discussion
준비의 가장 중요한 단계는 thermo-induced emulsions에 의한 자기 microgels의 합성에 대한 프로토콜 섹션 2에 있습니다. 그림 2 (TEM 이미지)에서 볼 수 있듯이, 마이크로 겔의 구형 구조는 PNIPAAm (아미드 그룹), PEI (아민 그룹) 사이의 강한 H- 결합으로 인한 물리적 가교로 인해 RT (LCST보다 낮음) 및 Fe3O4-NH2 (아민 기)를 포함한다. 그림 4 의 비교에 따르면, 자성 마이?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 대만 과학 기술부 (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2)의 재정 지원을 받았으며 부분적으로 원자력 및 분자 과학 연구소 (Institute of Atomic and Molecular Sciences) Academia Sinica.
Materials
| Poly(N-isopropylacrylamide) | Polyscience, Inc | 21458-10 | Mw~40000 |
| (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 |
References
- Hennink, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliv Rev. 64, 223-236 (2012).
- 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).
- Dong, Y., et al. Incorporation of Gold Nanoparticles Within Thermoresponsive Microgel Particles: Effect of Crosslinking Density. J Nanosci Nanotechnol. 8 (12), 6283-6289 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Okuzaki, H., Kobayashi, K., Yan, H. Thermo-Responsive Nanofiber Mats. Macromolecules. 42 (16), 5916-5918 (2009).
- 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).
- 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).
- Gil, E., Hudson, S. Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates. Prog Polym Sci. 29 (12), 1173-1222 (2004).
- 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).
- Rapoport, N. Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery. Prog Polym Sci. 32 (8-9), 962-990 (2007).
- Heskins, M., Guillet, J. E. Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide). J Polym Sci A Polym Chem. 2 (8-9), 1441-1455 (1968).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, H. J., Jang, Y. P. Direct analysis of curcumin in turmeric by DART-MS. Phytochemical Analysis. 20 (5), 372-377 (2009).
- Horowitz, H. H., Metzger, G. A new analysis of thermogravimetric traces. Analytical Chemistry. 35 (10), 1464-1468 (1963).
- Smith, B. C. . Fourier transform infrared spectroscopy. , (1996).
- Williams, D. B., Carter, C. B. . Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. , 3-17 (1996).
- 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).
