Summary

Alternando microgel ibrida Gelatina di campo magnetico-Responsive per Controlled Drug uscita

Published: February 13, 2016
doi:

Summary

Vi presentiamo un metodo facile per fabbricare una piattaforma di rilascio del farmaco a base di gelatina biodegradabili che è magneto-termico sensibile. Ciò è stato ottenuto incorporando nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche e poli (N-isopropylacrylamide- co -acrylamide) all'interno di una gelatina sferica micro-rete reticolato da genipina, in combinazione con un sistema di applicazione di campo magnetico alternato.

Abstract

Magneticamente-responsive / biomateriali micro-ingegneria nano che consentono a un strettamente controllato, on-demand somministrazione di farmaci sono stati sviluppati nuovi tipi di dispositivi morbide intelligenti per applicazioni biomediche. Sebbene un certo numero di sistemi di rilascio di farmaci magneticamente rispondenti hanno dimostrato efficacies attraverso sia la prova in vitro di studi concettuali o in applicazioni preclinici in vivo, il loro uso in ambito clinico è ancora limitato dalla loro biocompatibilità e biodegradabilità insufficiente. Inoltre, molte delle piattaforme esistenti si basano su tecniche sofisticate per loro invenzioni. Abbiamo recentemente dimostrato la fabbricazione di biodegradabili, microgel termo-reattivo a base di gelatina intrappolando fisicamente poli (N-isopropylacrylamide- co -acrylamide) catene come componente minore all'interno di una rete di gelatina tridimensionale. In questo studio, presentiamo un metodo facile per fabbricare una piattaforma di rilascio del farmaco biodegradabile che consente a un magneto-thermally innescato rilascio del farmaco. Ciò è stato ottenuto incorporando nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetico e polimeri termo-reattivo in microgel colloidali a base di gelatina, in combinazione con un sistema di applicazione di campo magnetico alternato.

Introduction

Gli stimoli-reattivi sistemi di drug delivery che consentono una consegna di droga strettamente controllato in risposta a stimoli sia endogeni o esogeni (ad es., Temperatura o pH) sono stati ampiamente studiati come nuovi tipi di dispositivi intelligenti morbide per la consegna della droga. Idrogel MicroScale sono stati ampiamente utilizzati come piattaforma di consegna della droga, nel senso che conferiscono profili di rilascio di droga controllabili e sostenibili, nonché chimiche sintonizzabile e le proprietà meccaniche 1-3. In particolare, i microgel colloidali presentano molti vantaggi come veicolo di somministrazione di farmaci per la loro rapida risposta a stimoli esterni e adatto iniettabilità al tessuto locale in una maniera minimamente invasiva 4. Il poli (N-isopropilacrilammide) (pNIPAM) o suoi copolimeri sono state ampiamente adottate nella sintesi microgel termo-responsive mediante innesto pNIPAM con / polimeri biocompatibili biodegradabili compresi gelatina, chitosano, acido alginato, o acido ialuronico 5,6, In cui una caratteristica transizione di fase pNIPAM alla sua temperatura critica più bassa soluzione (LCST) può essere utilizzato come un trigger di rilascio del farmaco 7. Abbiamo recentemente dimostrato una fabbricazione di biodegradabile, Microgel termo-sensibile di gelatina a base incorporando poli (N-isopropylacrylamide- co -acrylamide) [p (NIPAM- co -AAm)] catene come un componente minore all'interno di reti di gelatina tridimensionali 8. Il / p (NIPAM- co -AAm) microgel gelatina esibito una deswelling sintonizzabile all'aumento di temperatura, che positivamente correlata al rilascio di albumina sierica bovina (BSA).

Nel corso degli ultimi anni, ci sono stati aumentando gli sforzi per sviluppare una piattaforma di consegna della droga magneticamente sensibile che può innescare il rilascio di farmaco in un 9,10 di moda on-demand. Il principio di base per la sintesi della piattaforma di drug delivery magneticamente sensibile utilizza la caratteristica di nanoparticelle superparamagnetiche (MNPs) per generare calore quando ricevono una alta frequenza campo magnetico alternato (AMF), che innesca un rilascio del farmaco sensibile alla temperatura. Questo promettente per future applicazioni cliniche in che questo sistema può indirizzare in profondità nel tessuto, permette un non-invasivo e telecomandata rilascio del farmaco e può essere combinato con il trattamento di ipertermia e risonanza magnetica sistema di imaging 10-12. Tali piattaforme includono: (1) le particelle MNPs / pNIPAM ibrido MicroGEL 13-15 e (2) ponteggi idrogel macroscopici che incorporano immobilizzato MNPs 16-18. Le piattaforme MicroGel pNIPAM basate dimostrato una transizione risposta finemente accordabile fase del volume agli stimoli magnetotermici. Tuttavia, ancora si basano su tecniche complesse e sofisticate nella fabbricazione e l'uso di polimeri pNIPAM ad alto contenuto può essere potenzialmente citotossici per le cellule 19, che possono limitare le loro applicazioni in vivo. I ponteggi macroscopiche esibiscono un parentely lenta risposta a stimoli esterni e richiedono un trapianto chirurgico invasivo rispetto a microgel colloidali.

L'emulsione acqua-in-olio è stato il metodo standard per la produzione di submillimetrica o gel di dimensioni micrometriche particelle 20. All'interfaccia acqua-olio dell'emulsione, Microgel particelle costituisce una forma sferica dovuta alla minimizzazione dell'energia di superficie della gocciolina di acqua sotto la forza di taglio meccanica. Questo metodo permette la produzione di una grande quantità di goccioline acquose gel sferiche in una semplice procedura di fabbricazione ed è stato adottato con successo per la fabbricazione microgel a base di gelatina per applicazioni drug delivery 21-23.

Qui, vi presentiamo un metodo facile per sintetizzare un magnetothermally reattivo microgel a base di gelatina per l'applicazione somministrazione di farmaci utilizzando il metodo di emulsione acqua in olio. Questo è stato ottenuto incorporando fisicamente MNPs ossido di ferro e p (NIPAM- co -AAm) catene come componente minore all'interno di una rete di gelatina microscala sferica che è covalentemente reticolata da un genipina reticolante di derivazione naturale, in combinazione con un alta frequenza alternata magnetico sistema di applicazione di campo (AMF).

Protocol

Nota: Il processo generale di fabbricazione magnetici microgel gelatina campo-reattivo è illustrato nella Figura 1A. 1. Preparazione soluzioni e sospensioni Preparare una genipina reticolante (1% w / v) soluzione sciogliendo 20 mg di genipina in 2 ml di tampone fosfato salino (PBS 1x; pH 7,4). Vortex la soluzione e mettere in un 50 ° C bagnomaria per 2 ore per sciogliere completamente la soluzione. Preparare una soluzione di…

Representative Results

Quando il protocollo è eseguita correttamente, i microgel fabbricati devono mostrare una morfologia sferica ben caratterizzato e disperdibilità colloidale con diametri nel campo tra 5 micron a 20 micron (Figura 1B e C). Sia MNPs fluorescenti o BSA fluorescente può essere utilizzata per confermare se MNPs o droghe (BSA in questo studio) sono correttamente incapsulati all'interno del Microgel (Figura 1D). I microgel prefabbricati possono essere stab…

Discussion

La tecnologia qui descritta illustra un prototipo sull'uso di ibridi nanoparticelle Microgel per magneto-termico innescata rilascio del farmaco. Questo è stato ottenuto intrappolando fisicamente catene MNPs e P (NIPAM- co -AAm) all'interno di una rete di microscala gelatina tridimensionale reticolato per genipina. La piattaforma di campo-responsive magnetico era sufficiente a generare calore all'interno del Microgel in risposta ad una AMF applicata remoto, che a sua volta innescato il rilascio di u…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo studio è stato sostenuto da Innovation Award Farris famiglia e NIH 1R01NR015674-01 di MK. Gli autori ringraziano Josep Nayfach (Qteris, Inc) per la fornitura di un sistema generatore elettromagnetico così come la sua consulenza tecnica. Gli autori ringraziano anche Huan Yan (LCI & Chemical programma interdisciplinare Fisica, Kent State University) per i suoi assistenti tecnici.

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

References

  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).
check_url/53680?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Sung, B., Shaffer, S., Sittek, M., Alboslemy, T., Kim, C., Kim, M. Alternating Magnetic Field-Responsive Hybrid Gelatin Microgels for Controlled Drug Release. J. Vis. Exp. (108), e53680, doi:10.3791/53680 (2016).

View Video