Vekslende magnetfelt-Responsive Hybrid Gelatin mikrogeler for kontrollert legemiddeldosering

Summary

Vi presenterer en lettvint metode for å dikte opp en biologisk nedbrytbar gelatin-basert medikament utgivelse plattform som er magneto-termisk responsive. Dette ble oppnådd ved å innbefatte superparamagnetiske jernoksidpartikler nanopartikler og poly (N-isopropylacrylamide- ko-akrylamid) innenfor en sfærisk gelatin mikro-nettverk tverrbundet ved genipin, i forbindelse med et vekslende magnetfelt påføringssystem.

Abstract

Magnetisk-responsive nano / mikro-utviklet biomaterialer som muliggjør en kontrollert, on-demand levering av legemidler har blitt utviklet som nye typer smarte myke enheter for biomedisinske applikasjoner. Selv om en rekke av magnetisk-reagerende medikamentleveringssystemer har vist efficacies gjennom enten in vitro bevis for konseptstudier og in vivo prekliniske anvendelser, er deres anvendelse i kliniske sammenhenger fremdeles begrenset av deres utilstrekkelige biokompatibilitet eller bionedbrytbarhet. I tillegg er mange av de eksisterende plattformer er avhengige av avanserte teknikker for deres fabrikasjoner. Vi har nylig demonstrert ved fremstilling av biologisk nedbrytbare, gelatin-baserte termofølsomme mikrogel ved fysisk inneslutning av poly (N-isopropylacrylamide- ko-akrylamid) kjeder som en mindre komponent i et tre-dimensjonalt nettverk gelatin. I denne studien presenterer vi en lettvint metode for å dikte opp en biologisk nedbrytbart stoff utgivelse plattform som gjør det mulig for en magneto-thermally utløst narkotika utgivelse. Dette ble oppnådd ved å innbefatte superparamagnetiske jernoksidpartikler nanopartikler og termofølsomme polymerer innenfor gelatinbaserte kolloidale mikrogeler, i forbindelse med et vekslende magnetfelt påføringssystem.

Introduction

Stimuli-responsive stoffet leveringssystemer som muliggjør en kontrollert levering av legemidler i respons til enten endogene eller eksogene stimuli (f.eks., Temperatur eller pH) har blitt grundig undersøkt som nye typer smarte myke enheter for levering av legemidler. Mikro hydrogeler har vært mye brukt som et rusmiddel leveranseplattform ved at de konferere kontrollerbare og bærekraftige narkotika frigjøringsprofiler samt fleksibel kjemiske og mekaniske egenskaper ^1-3. Spesielt de kolloidale mikrogelene oppviser mange fordeler som en bærer for medikamentlevering på grunn av deres hurtige respons på ytre stimuli og passende injiserbarhet til lokal vev i en minimal invasiv måte ^4. Poly (N-isopropylakrylamid) (pNIPAM) eller dets kopolymerer har vært i omfattende bruk i syntetisering av termofølsomt mikrogeler ved poding pNIPAM med bionedbrytbare / biokompatible polymerer, inkludert gelatin, kitosan, alginat syre, eller hyaluronsyre ^5,6, I hvilken en faseovergangs karakteristisk for pNIPAM ved sin nedre kritiske oppløsningstemperatur (LCST) kan brukes som en utløser for legemiddelfrigivelse ^7. Vi har nylig demonstrert en fabrikasjon av biologisk nedbrytbart, gelatin-basert termofølsomt mikrogelstørrelse ved å inkludere poly (N-isopropylacrylamide- co akrylamid) [p (NIPAM- co -AAm)] kjeder som en mindre komponent i tredimensjonale gelatin nettverk ^8. Gelatin / p (NIPAM- co -AAm) mikrogel oppviste en avstembar deswelling til temperaturøkning, som positivt korrelert til frigjøring av bovint serumalbumin (BSA).

I løpet av de siste årene har det vært økende innsats for å utvikle en magnetisk responsive stoffet levering plattform som kan utløse frigjøring av stoffet i en on-demand mote ^9,10. Det grunnleggende prinsipp for syntesen av magnetisk reaktive medikamentavgivelse plattform utnytter den egenskap at superparamagnetiske nanopartikler (MNPS) for å generere varme når de mottar et høyfrekvent magnetisk vekselfelt (AMF), som utløser en temperaturfølsom medikamentfrigjøring. Dette holder løftet for fremtidige kliniske anvendelser i at dette systemet kan målrette dypt inn i vevet, muliggjøre en ikke-invasiv og fjernstyres medikamentfrigjøring og kan kombineres med hypertermi behandling og magnetisk resonans-avbildningssystem ^10-12. Slike plattformer omfatter: (1) MNPS / pNIPAM hybrid mikrogel partikler ^13-15 og (2) makroskopiske hydrogel stillaser innlemme immobilisert MNPS ^16-18. De pNIPAM-baserte mikrogel plattformer viste en fint-tunable volum fase overgang respons til magneto-termisk stimuli. Men de fremdeles er avhengige av kompliserte og avanserte teknikker i fabrikasjonen og bruken av pNIPAM polymerer med et høyt innhold kan potensielt cytotoksisk til celler ^19, som kan begrense deres in vivo-applikasjoner. De makroskopiske stillasene viser en relativly treg respons på ytre stimuli og krever en invasiv kirurgisk transplantasjon i forhold til kolloidale mikrogeler.

Vann-i-olje-emulgering har vært standard metode for å fremstille Submillimeter eller mikrometer-store gelpartikler ^20. Ved vann-olje-grensesnittet av emulsjonen, danner mikrogel partikkel en sfærisk form på grunn av minimalisering av overflateenergien av vanndråpen under mekanisk skjærkraft. Denne fremgangsmåte tillater produksjon av en stor mengde av vandige gel sfæriske dråper i en enkel fremstillingsprosedyre og har blitt tatt i bruk for fremstilling av gelatin-baserte mikrogeler for medikamentavleverings anvendelser ^21-23.

Her presenterer vi en lettvint metode for å syntetisere en magnetothermally responsive gelatin-basert mikrogeler for levering av legemidler søknad ved å bruke vann-i-olje emulgering metoden. Dette ble oppnådd ved fysisk innlemme jernoksid MNPS og p (NIPAM- co -AAm) kjeder som en mindre komponent i en sfærisk mikro gelatin nettverk som er kovalent kryssbundet med et naturlig-avledet tverrbindingsmiddel genipin, sammen med et høyfrekvent magnetisk vekselfelt (AMF) påføringssystem.

Protocol

Merk: Den generelle fremgangsmåte til fremstilling av magnetiske feltresponsiv gelatin mikrogeler er illustrert i figur 1A. 1. Klar oppløsninger og suspensjoner Fremstille et tverrbindingsmiddel genipin (1% w / v) løsning ved å oppløse 20 mg av genipin i 2 ml av fosfat-bufret saltløsning (1 x PBS, pH 7,4). Vortex løsningen og plasseres i et 50 ° C vannbad i 2 timer til fullstendig oppløsning av løsningen. Fremstille …

Representative Results

Når protokollen er utført på riktig måte, bør de fabrikkerte mikrogelene oppviser et godt karakterisert sfærisk morfologi og kolloidalt dispergerbarhet med diametre i området mellom 5 um til 20 um (figur 1 B og C). Enten fluorescerende MNPS eller fluoriserende BSA kan brukes for å bekrefte om MNPS eller medikamenter (BSA i denne studien) er riktig innkapslet i mikrogelen (figur 1D). Fremstille mikrogeler kan være stabil og lagret ved 4 ° C…

Discussion

Teknologien er beskrevet her demonstrerer en proof of concept på bruken av nanopartikkel-mikrogel hybrider for magneto-termisk utløst narkotika utgivelse. Dette ble oppnådd ved fysisk entrapping MNPS og p (NIPAM- co -AAm) kjeder innenfor et mikro tredimensjonalt nettverk gelatin tverrbundet ved genipin. Den magnetiske feltfølsomme plattformen var tilstrekkelig til å generere varme inne i mikrogel som reaksjon på et eksternt påført AMF, som i sin tur utløste frigivelsen av et legemiddel modell, BSA. </p…

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