Alternando microgéis de gelatina híbrido Campo-Responsive magnética para controlada de fármacos de libertação
Summary
Nós apresentamos um método fácil de fabricar uma plataforma de liberação do fármaco à base de gelatina biodegradável que é magneto-termicamente responsivo. Isto foi conseguido através da incorporação de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético e poli (N-co isopropylacrylamide- -acrilamida) dentro de uma rede de micro-reticulada de gelatina esférica por genipina, em conjunto com um sistema de aplicação do campo magnético alternado.
Abstract
Magneticamente reactivo nano / micro-biomateriais engenharia que permitem uma entrega de drogas rigorosamente controlada, a pedido têm sido desenvolvidos como novos tipos de dispositivos moles inteligentes para aplicações biomédicas. Embora um certo número de sistemas de entrega de drogas magneticamente reactivo demonstraram eficácias, quer através de provas in vitro de estudos de concepção ou em aplicações de pré-clínicos in vivo, a sua utilização na prática clínica é ainda limitada pela sua biocompatibilidade ou a biodegradabilidade insuficiente. Além disso, muitas das plataformas existentes dependem de técnicas sofisticadas para sua fabricação. Recentemente, demonstrou a fabricação de biodegradável microgel de resposta térmica, com base em gelatina por aprisionamento fisicamente poli (co-acrilamida N isopropylacrylamide-) cadeias como um componente menor dentro de uma rede tridimensional de gelatina. Neste estudo, são apresentados um método fácil de fabricar uma plataforma de libertação de fármaco biodegradáveis que permite uma magneto-thermally desencadeada a libertação do fármaco. Isto foi conseguido através da incorporação de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético e polímeros de resposta térmica dentro de microgéis coloidais à base de gelatina, em conjunto com um sistema de aplicação do campo magnético alternado.
Introduction
Estímulos responsiva sistemas de administração de fármacos que permitem uma entrega de drogas rigorosamente controlado em resposta a estímulos endógenos ou quer exógenas (por exemplo., Temperatura ou pH) têm sido investigados extensivamente como novos tipos de dispositivos inteligentes suaves para a entrega de drogas. Hidrogeles microscópicos têm sido largamente utilizados como uma plataforma de entrega de droga na medida em que conferem perfis controlável e sustentável de libertação de fármaco, bem como sintonizável química e propriedades mecânicas 1-3. Em particular, os microgéis coloidais apresentam muitas vantagens como um veículo para a entrega de drogas devido à sua capacidade de resposta rápida a estímulos externos e injectabilidade adequado para o tecido local de forma minimamente invasiva 4. O poli (N-isopropilacrilamida) (pNIPAM) ou seus copolímeros têm sido amplamente adotados em sintetizar microg�s termo-sensível por enxertia pNIPAM com polímeros biodegradáveis / biocompatíveis, incluindo gelatina, a quitosana, ácido alginato, ou ácido hialurônico 5,6, No qual uma característica de transição de fase de pNIPAM à sua temperatura crítica inferior de solução (TCIS) pode ser utilizada como um gatilho de libertação de medicamento 7. Recentemente, demonstrou uma fabricação de biodegradável microgel de resposta térmica, com base em gelatina por incorporação de poli (co-N isopropylacrylamide- -acrilamida) [P (co NIPAM- -AAm)] cadeias como um componente menor de gelatina dentro das redes tridimensionais 8. O / P (co NIPAM- -AAm) microgel de gelatina exibiu um deswelling sintonizável ao aumento de temperatura, o que positivamente correlacionada com a libertação de albumina de soro bovino (BSA).
Durante os últimos anos, tem vindo a aumentar os esforços para desenvolver uma plataforma de entrega de drogas magneticamente sensível que pode desencadear a liberação de drogas em um 9,10 de moda on-demand. O princípio básico para a síntese de plataforma de entrega de droga que responde magneticamente utiliza a característica de nanopartículas superparamagnéticas (MNPs) para gerar calor quando recebem uma alta frequência de campo magnético alternado (AMF), o que desencadeia uma liberação da droga sensível à temperatura. Esta é uma promessa para futuras aplicações clínicas em que este sistema pode atingir profundamente no tecido, permite uma libertação de fármaco não-invasivo e remotamente controlada e pode ser combinada com tratamento de hipertermia e sistema de ressonância magnética 10-12. Tais plataformas incluem: (1) Partículas híbridas MNPs / pNIPAM microgel 13-15 e (2) andaimes hidrogel macroscópicas incorporando imobilizada MNPs 16-18. As plataformas de microgel baseados em pNIPAM demonstraram uma resposta de transição de fase de volume finamente sintonizável a estímulos magneto-térmico. No entanto, eles ainda dependem de técnicas complexas e sofisticadas na fabricação e a utilização de polímeros pNIPAM com um teor elevado pode ser potencialmente citotóxico para as células 19, o que pode limitar as suas aplicações in vivo. Os andaimes macroscópicas exibem um parenteLY lenta resposta a estímulos externos e exigem um transplante cirúrgico invasivo em comparação com os microgéis de coloidais.
A emulsão água-em-óleo tem sido o método padrão para produzir submillimeter ou gel de partículas de tamanho micrométrico 20. Na interface óleo-água da emulsão, microgel de partícula tem uma forma esférica, devido à minimização da energia de superfície da gotícula de água, sob a força de cisalhamento mecânico. Este método permite a produção de uma grande quantidade de gotículas esféricas de gel aquoso num processo de fabrico simples e tem sido adoptada com sucesso para a fabricação de microgéis à base de gelatina, para aplicações de entrega de drogas 21-23.
Aqui, nós apresentamos um método fácil para sintetizar uma microgéis magnetothermally responsivos à base de gelatina para aplicação de entrega de drogas através da utilização do método de emulsificação de água-em-óleo. Isto foi conseguido por incorporando fisicamente MNPs óxido de ferro e P (co NIPAM- -AAm) cadeias como um componente menor dentro de uma rede de gelatina microescala esférica que está covalentemente reticulados por um agente reticulante genipina de origem natural, em conjunto com uma elevada frequência de alternância de um sistema de aplicação do campo magnético (AMF).
Protocol
Representative Results
Discussion
A tecnologia aqui descrita demonstra uma prova de conceito de utilização de híbridos nanopartícula-microgel para a libertação do fármaco magneto-desencadeada termicamente. Isto foi conseguido por aprisionamento fisicamente cadeias MnPs e P (co NIPAM- -AAm) dentro de uma rede tridimensional de gelatina microescala reticulado por genipina. A plataforma de campo de resposta magnética foi suficiente para gerar calor no interior do microgel em resposta a um AMF remotamente aplicada, que por sua vez, provocou…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi apoiado pelo Prêmio Inovação Farris Família e NIH 1R01NR015674-01 para MK. Os autores agradecem Josep Nayfach (Qteris, Inc) para fornecer um sistema gerador de electro-magnética, bem como a sua consulta técnica. Os autores também agradecem Huan Yan (LCI & Chemical Programa Interdisciplinar de Física, Kent State University) por seus assistentes técnicos.
Materials
| Gelatin | Sigma-Aldrich, MO, USA | G2500 | Gelatin type A, porcine skin |
| poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylamide) | Sigma-Aldrich, MO, USA | 738727 | MW=20,000, LCST=34-38 oC |
| Silicon oil | Sigma-Aldrich, MO, USA | 378372 | Viscosity 350 cSt |
| Pluoronic L64 | Sigma-Aldrich, MO, USA | 435449 | 100 ppm poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) |
| genipin | TimTec LLC, DE, USA | ST080860 | Mw = 226.23; |
| Magnetic nanoparticles (MNPs) | Micromod Inc, Germany | 79-00-102 | nanomag-D-spio, 100 nm |
| TR-BSA | Life Technologies, NY USA | A23017 | Albumin from Bovine Serum (BSA), Texas Red conjugate |
Riferimenti
- Langer, R. Biomaterials in drug delivery and tissue engineering: one laboratory’s experience. Acc. Chem. Res. 33, 94-101 (2000).
- 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).
- Kawaguchi, H. Thermoresponsive microhydrogels: preparation, properties and applications. Polym. Int. 63, 925-932 (2014).
- Vinogradov, S. V. Colloidal microgels in drug delivery applications. Curr. Pharm. Des. 12, 4703-4712 (2006).
- 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).
- Kumari, A., Yadav, S. K., Yadav, S. C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids Surf. B Biointerfaces. 75, 1-18 (2010).
- Shibayama, M., Tanaka, T. Volume Phase-Transition and Related Phenomena of Polymer Gels. Adv Polym Sci. 109, 1-62 (1993).
- 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).
- Kumar, C. S., Mohammad, F. Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 63, 789-808 (2011).
- Mura, S., Nicolas, J., Couvreur, P. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery. Nat. Mater. 12, 991-1003 (2013).
- Kong, S. D., et al. Magnetic field activated lipid-polymer hybrid nanoparticles for stimuli-responsive drug release. Acta biomaterialia. 9, 5447-5452 (2013).
- 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).
- Suzuki, D., Kawaguchi, H. Stimuli-sensitive core/shell template particles for immobilizing inorganic nanoparticles in the core. Colloid Polym Sci. 284, 1443-1451 (2006).
- Bhattacharya, S., Eckert, F., Boyko, V., Pich, A. Temperature-, pH-, and magnetic-field-sensitive hybrid microgels. Small. 3, 650-657 (2007).
- 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).
- Zhao, X., et al. Active scaffolds for on-demand drug and cell delivery. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 67-72 (2011).
- Xu, F., et al. Release of magnetic nanoparticles from cell-encapsulating biodegradable nanobiomaterials. ACS nano. 6, 6640-6649 (2012).
- Li, Y. H., et al. Magnetic Hydrogels and Their Potential Biomedical Applications. Adv Funct Mater. 23, 660-672 (2013).
- Cooperstein, M. A., Canavan, H. E. Assessment of cytotoxicity of (N-isopropyl acrylamide) and poly(N-isopropyl acrylamide)-coated surfaces. Biointerphases. 8, 19 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Regmi, R., et al. Hyperthermia controlled rapid drug release from thermosensitive magnetic microgels. J Mater Chem. 20, 6158-6163 (2010).
- Kim, M. H., et al. Magnetic nanoparticle targeted hyperthermia of cutaneous Staphylococcus aureus infection. Ann Biomed Eng. 41, 598-609 (2013).
- 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).
- Huang, S., Fu, X. Naturally derived materials-based cell and drug delivery systems in skin regeneration. J Control Release. 142, 149-159 (2010).
- 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).
- 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).
- Hoare, T., et al. Magnetically triggered nanocomposite membranes: a versatile platform for triggered drug release. Nano letters. 11, 1395-1400 (2011).
