Manyetik ve Termal Duyarlı Poli (<em> K</em> -izopropilakrilamid) Esaslı Manyetik Tetiklemeli Kontrollü Salınım İçin Mikrojeller
Summary
Bu el yazması, kimyasal reaksiyona girmeden sıcaklık ile indüklenen bir emülsiyonla manyetik ve termal duyarlı mikrojellerin hazırlanmasını açıklamaktadır. Bu hassas mikrogeller poli ( N- izopropilakrilamid) (PNIPAAm), polietilenimin (PEI) ve manyetik ve termal olarak tetiklenen uyuşturucu salınımında potansiyel kullanım için Fe3O4 -NH2 nanopartikülleri karıştırılarak sentezlenmiştir.
Abstract
Kapsüllenmiş anti kanser ilaç curcumin (Cur) ile manyetik ve termal olarak duyarlı poli ( N- izopropilakrilamid) (PNIPAAm) / Fe3O4 -NH2 mikrojelleri manyetik olarak tetiklenmiş salınım için tasarlanmış ve imal edilmiştir. Küresel bir yapıya sahip PNIPAAm tabanlı manyetik mikrojeller, sıcaklığa bağlı bir emülsiyon ile ve ardından PNIPAAm, polietilenimin (PEI) ve Fe3O4 -NH2 manyetik nanopartikülleri karıştırılarak fiziksel çapraz bağlanma yoluyla üretildi. Dağılımlarından ötürü, Fe 3 O 4 -NH 2 nanopartikülleri polimer matrisi içine gömülmüşlerdir. Fe3O4 -NH2 ve PEI yüzeyi üzerinde maruz bırakılan amin grupları, PNIPAAm'in amid gruplarıyla fiziksel olarak çapraz bağlanarak küresel yapıyı destekledi. Hidrofobik anti-kanser ilacı curcumin mikrogele kapsülleştirildikten sonra suya dağıtılabilir. Mikrojenler karakterize edildiTransmisyon elektron mikroskobu (TEM), Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ve UV-Vis spektral analizi. Dahası, manyetik olarak tetiklenen serbest bırakma, bir harici yüksek frekanslı manyetik alan (HFMF) altında incelendi. Manyetik endüktif ısıtma (hipertermi) etkisi nedeniyle HFMF'yi mikrogele uyguladıktan sonra, curcumin'in belirgin bir "patlama salınımı" görülmüştür. Bu el yazısı, potansiyel olarak tümör terapisi için uygulanabilen cur-PNIPAAm / Fe3O4 -NH2 kapsüllü curcumin'in manyetik olarak tetiklenen kontrollü salımını tanımlamaktadır.
Introduction
Hidrojeller çözülmeyen ancak sulu çözeltilerde şişebilen üç boyutlu (3B) polimerik ağlardır 1 . Polimerik ağlar hidrofıl alanlara (hidrojel yapısını sağlamak için hidratlanabilir) ve çapraz bağlantılı bir yapıya sahiptir (ağın çökmesini önleyebilir). Emülsiyon polimerizasyonu, anyonik kopolimerizasyon, komşu polimer zincirlerinin çapraz bağlanması ve ters mikro emülsiyon polimerizasyonu 2 gibi hidrojellerin hazırlanması için çeşitli yöntemler araştırılmıştır. Yapısal olarak kararlı hidrojelleri 1 , 3 elde etmek için bu yöntemlerle fiziksel ve kimyasal çapraz bağlar getirilir. Kimyasal çapraz bağlama normalde polimerlerin omurgasını veya yan zincirini birbirine bağlayan çapraz bağlama maddesinin katılımını gerektirir. Kimyasal çapraz bağlarla karşılaştırıldığında fiziksel çapraz bağlama fabr için daha iyi bir seçimdir Bu maddeler çoğu zaman pratik uygulamalar için toksiktir, çünkü bir çapraz bağlayıcı ajan kaçınılması nedeniyle, hidroklorik asitleri içerir. İyonik etkileşim ile çapraz bağlanma, kristalleşme, amfifilik bloklar arasındaki bağlama veya polimer zincirlerinde aşılama ve hidrojen bağlanması 4 , 5 , 6 , 7 gibi fiziksel olarak çapraz bağlı hidrojellerin sentezi için çeşitli yaklaşımlar araştırılmıştır.
Farklı çevre koşullarına ( yani sıcaklık, pH, ışık, iyonik güç ve manyetik alan) yanıt olarak konformasyonel, kimyasal veya fiziksel özellik değişiklikleri yapabilen uyarana duyarlı polimerler son zamanlarda kontrollü salım sistemleri için potansiyel bir platform olarak dikkat çekti , Ilaç verme ve anti-kanser tedavisi 8 , 9 ,Xref "> 10 , 11 , 12. Araştırmacılar, iç sıcaklıkların kolayca kontrol edilebildiği termo-duyarlı polimerlere odaklanıyorlar PNIPAAm, hem hidrofilik amid grupları hem de hidrofobik izopropil grupları içeren termal olarak duyarlı bir polimerdir ve daha düşük bir kritik çözelti sıcaklığı (LCST) 13. Amid grupları ve su molekülleri arasındaki hidrojen bağları, düşük sıcaklıklarda (LCST'in altında) sulu çözeltide PNIPAAm'in dağılmasını sağlarken, polimer zincirleri arasındaki hidrojen bağları yüksek sıcaklıklarda (LCST'nin üstünde) meydana gelir ve suyun dışında tutulur Polimer ağının çökmesi için polimer zincirinin uzunluğunun hidrofobik ve hidrofilik oranını ayarlayarak, polimer ağının çökmesi için polimer zincir uzunluğunun ayarlanmasıyla, sıcaklık ile tetiklenen, kendi kendine monte edilmiş hidrojellerin hazırlanması için birçok rapor yayınlanmıştır. Örneğin, kopolimerleştirme, aşılama veya yan- Eczacılık için zincir tadilatıCal platformları 14 , 15 , 16 , 17 .
Demir, kobalt ve nikel gibi manyetik malzemeler, son on yılda biyokimyasal uygulamalar için artan bir ilgi görmüştür18. Bu adaylar arasında, kararlılığı ve toksisitesi düşük olması nedeniyle demir oksit en yaygın olarak kullanılır. Nano boyutlu demir oksitler anında manyetik alana tepki verirler ve süperparamanyetik atomlar gibi davranırlar. Bununla birlikte, bu tür küçük partiküller kolayca toplanır; Bu yüzey enerjisini azaltır ve bu nedenle dağılmalarını kaybeder. Su dağılımını arttırmak için katmanı korumak için aşılama ya da kaplama yaygın olarak yalnızca her bir parçacığı kararlılık için ayırmakla kalmayıp aynı zamanda reaksiyon yerini 19 daha da işlevsel hale getirmek için uygulanmaktadır.
Burada, manyetik PNIPAAm tabanlı mikro ürettikJelleri, kontrollü salım sistemleri için ilaç taşıyıcıları olarak görev yaparlar. Sentez işlemi Şekil 1'de tarif edilmiş ve gösterilmiştir. Karmaşık kopolimerleştirme ve kimyasal çapraz bağlama yerine, PNIPAAm'ın yeni sıcaklığa bağlı emülsiyonu ve ardından fiziksel çapraz bağlanma, ilave yüzey aktif madde veya çapraz bağlayıcı ajanlar olmaksızın mikrojellerin elde edilmesi için kullanıldı. Bu, sentezi basitleştirdi ve istenmeyen toksisiteyi önledi. Böyle basit bir hazırlama protokolünde as-sentezlenmiş mikrojeller hem manyetik demir oksit nanoparçacıkları hem de hidrofobik, anti-kanser ilacı curcumin için su dağılımı sundu. FT-IR, TEM ve görüntüleme dispersiyon ve kapsülleme bulgusu sağladı. Gömülü Fe3O4 -NH2 nedeniyle, manyetik mikrojeller, HFMF altında kontrollü salınma için mikro-cihazlar olarak hizmet etme potansiyeline sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hazırlamanın en önemli basamakları, termo indüklenmiş emülsiyonla manyetik mikrojellerin sentezi için protokol 2. bölümdedir. Şekil 2'de gösterildiği gibi (TEM görüntüleri), PNIPAAm (amid grupları), PEI (amin grupları) arasındaki güçlü H bağından kaynaklanan fiziksel çapraz bağlanma nedeniyle mikrogellerin küresel yapısı RT'de (LCST'den düşük) muhafaza edilebilir. Ve Fe3O4 -NH2 (amin grupları). Şekil 4'teki kar?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali olarak Tayvan Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (MOST 104-2221-E-131-010, MOST 105-2622-E-131-001-CC2) tarafından desteklenmiş ve kısmen Atom ve Moleküler Bilimleri Enstitüsü tarafından desteklenmiştir, Akademisyen 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).
