JoVE Logo
发表
联系我们

登录

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

该手稿描述了通过温度诱导的乳液制备磁性和热敏性微凝胶而没有化学反应。通过混合聚（ N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm），聚乙烯亚胺（PEI）和Fe 3 O 4 -NH 2纳米粒子来合成这些敏感微凝胶，用于磁和热触发药物释放的潜在用途。

摘要

设计并制造了具有包封的抗癌药物姜黄素（Cur）的磁感和热敏聚（ N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）/ Fe 3 O 4 -NH 2微凝胶用于磁触发释放。通过温度诱导的乳液制备具有球形结构的基于PNIPAAm的磁性微凝胶，然后通过混合PNIPAAm，聚乙烯亚胺（PEI）和Fe 3 O 4 -NH 2磁性纳米粒子进行物理交联。由于其分散性，将Fe 3 O 4 -NH 2纳米颗粒嵌入聚合物基质内。暴露在Fe 3 O 4 -NH 2和PEI表面上的胺基通过与PNIPAAm的酰胺基团物理交联来支撑球形结构。疏水性抗癌药物姜黄素在包封入微凝胶后可以分散在水中。表征微凝胶通过透射电子显微镜（TEM），傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和UV-Vis光谱分析。此外，在外部高频磁场（HFMF）下研究了磁触发释放。由于磁感应加热（热疗）效应，将HFMF应用于微凝胶后，观察到姜黄素的显着"爆发"。该手稿描述了Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2包封的姜黄素的磁触发控制释放，其可以潜在地用于肿瘤治疗。

引言

水凝胶是三维（3D）聚合物网络，其不能溶解但可在水溶液中溶胀1 。聚合物网络具有亲水结构域（其可以水合以提供水凝胶结构）和交联构象（其可以防止网络崩溃）。已经研究了制备水凝胶的各种方法，例如乳液聚合，阴离子共聚，相邻聚合物链的交联和反相微乳液聚合2 。通过这些方法引入物理和化学交联以获得结构稳定的水凝胶1,3 。化学交联通常需要连接聚合物的主链或侧链的交联剂的参与。与化学交联相比，物理交联是fabr的更好选择由于这些试剂对于实际应用而言通常是有毒的，因此避免了交联剂的酸化水凝胶。已经研究了几种用于合成物理交联水凝胶的方法，例如用离子相互作用的交联，结晶，两亲嵌段之间的键合或聚合物链上的接枝以及氢键4,5,6,7。

近来，受不同环境条件（ 即温度，pH，光，离子强度和磁场）影响的构象，化学或物理性能变化的刺激敏感性聚合物近来引起了人们的注意，作为控制释放系统的潜在平台，药物输送和抗癌治疗8,9 ，xref"> 10,11,12 ，研究人员正在关注热敏聚合物，其中可以容易地控制固有温度PNIPAAm是一种热敏聚合物，其含有亲水性酰胺基和疏水性异丙基，并且具有较低的临界溶解温度（LCST） 13 。酰胺基和水分子之间的氢键在低温下（低于LCST）提供了PNIPAAm在水溶液中的分散性，而聚合物链之间的氢键在高温（高于LCST）下发生，并且不包括水分子，使得聚合物网络崩溃，关于这种独特的性质，已经出版了许多报道，通过调节聚合物链长度的疏水性和亲水性比例如共聚，接枝或侧链来制备温度触发的自组装水凝胶，制药连锁改造cal平台14,15,16,17 。

磁性材料如铁，钴和镍在过去几十年中也受到越来越多的关注，用于生物化学应用18 。在这些候选物中，由于其稳定性和低毒性，氧化铁被广泛使用。纳米级铁氧化物立即响应于磁场并表现为超顺磁性原子。然而，这样的小颗粒容易聚集;这降低了表面能，因此失去了分散性。为了提高水分散性，接枝或涂层以保护层通常不仅用于分离每个单独的颗粒以获得稳定性，而且还使反应位点进一步官能化。

在这里，我们制造了基于PNIPAAm的磁性微型凝胶作为控制释放系统的药物载体。合成过程如图1所示。代替复杂的共聚和化学交联，采用PNIPAAm的新型温度诱导乳液进行物理交联，得到无需附加表面活性剂或交联剂的微凝胶。这简化了合成并防止了不期望的毒性。在这种简单的制备方案中，合成的微凝胶为磁性氧化铁纳米颗粒和疏水性抗癌药物姜黄素提供了水分散性。 FT-IR，TEM和成像提供了分散和包封的证据。由于嵌入的Fe 3 O 4 -NH 2 ，磁性微凝胶显示出在HFMF下作为控制释放的微器件的潜力。

研究方案

1.表面改性，水分散磁性纳米粒子，Fe 3 O 4和Fe 3 O 4 -NH 2的合成

  1. 加入14.02g FeCl 3，8.6g FeCl 2 ·4H 2 O和250mL水加入到500mL烧杯中。
  2. 连接转子和控制器，进行机械搅拌。将溶液在室温（RT）下以300rpm混合30分钟。
  3. 在室温下向溶液中加入25mL氢氧化铵（33％），并保持搅拌（300rpm）30分钟。保持烧杯开放。
    小心:如果吸入，氢氧化铵会引起鼻部刺激。此步骤必须在适当的通风橱内进行。
  4. 收集磁性氧化铁（Fe 3 O 4 ），去除机械搅拌。将磁铁放在烧杯下面收集黑色颗粒。
    1. Fe 3 O 4纳米颗粒完全沉淀后，小心除去上清液。不要动摇b在倒出上清液时避免Fe 3 O 4的损失。
    2. 取出磁铁，并向烧杯中加入50 mL淡水。
    3. 摇动烧杯重新分散Fe 3 O 4 。重复步骤1.4至1.4.2三次以净化Fe 3 O 4 。
  5. 最后一次洗涤后，将所有的Fe 3 O 4 （10g）转移到100 mL玻璃瓶中。加水至总溶液体积为100mL。大力摇动玻璃瓶直到没有肿块可见。
    注意:协议可以在这里暂停。制备Fe 3 O 4纳米颗粒。
  6. 用氨基硅烷（Fe 3 O 4 -NH 2 ）改变Fe 3 O 4 。
    1. 取来自步骤1.5的100mL溶液并转移到1,000mL烧杯中。向烧杯中加入10 mL氨水溶液，90 mL水和900 mL乙醇。
    2. 使用磁力搅拌棒将溶液混合在一起300 rpm。在室温下向烧杯中滴加500μL（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES），再搅拌12小时。
  7. 如第1.4节所述净化并收集Fe 3 O 4 -NH 2 。
  8. 将1g Fe 3 O 4 -NH 2 （来自步骤1.7）重新分散在具有20mL水的20mL玻璃瓶中。
    注意:协议可以在这里暂停。制备Fe 3 O 4 -NH 2纳米颗粒。

2.通过热诱导乳液合成有机 - 无机杂化微凝胶

  1. 溶液1-1和1-2的制备。
    1. 对于溶液1-1，将0.25g PNIPAAm，5mL Fe 3 O 4溶液（来自步骤1.5）和0.2g PEI加入到50mL玻璃瓶中。加入20mL水，并用磁力搅拌棒在300rpm搅拌30分钟。
    2. 对于溶液1-2，重复步骤2.1.1，但将Fe 3 O 4替代为Fe3 O 4 -NH 2溶液（来自步骤1.8）。
  2. 为了制备溶液2 ，向50mL玻璃瓶中加入0.8g PEI和18.2mL水。使用水浴将溶液加热至70°C 30分钟。准备第二瓶解决方案2 。
  3. PNIPAAm / Fe 3 O 4的制备。
    1. 使用超声波细胞破碎机超声波（50w），磁力搅拌棒搅拌（300rpm）和水浴以加热溶液2 （70℃）。
    2. 使用3-mL注射器以1mL / min的速率将溶液1-1滴加到加热的溶液2中。
    3. 继续超声处理，搅拌和在70℃加热30分钟。
    4. 将解决方案冷却到RT。从细胞破碎器和水浴中取出溶液。
    5. 将磁铁靠近玻璃瓶收集微凝胶。
    6. 取出上清液微小凝胶已经沉淀到玻璃瓶的底部。
    7. 向玻璃瓶中加入另外25 mL的水，并通过涡旋重新分散微凝胶。该溶液是PNIPAAm / Fe 3 O 4 。
      注意:协议可以在这里暂停。
  4. PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2的制备。
    1. 使用超声波细胞破碎机超声波（50w），磁力搅拌棒搅拌（300rpm）和水浴以加热溶液2 （70℃）。
    2. 使用3-mL注射器以1mL / min的速率将溶液1-2滴加到加热的溶液2中。
    3. 继续超声处理，搅拌和在70℃加热30分钟。
    4. 将解决方案冷却到RT。从细胞破碎器和水浴中取出溶液。
    5. 将磁铁靠近玻璃瓶收集微凝胶。
    6. 一旦微凝胶沉淀，取出上清液。
    7. 向玻璃瓶中加入另外25 mL的水，并通过涡旋重新分散微凝胶。该溶液是PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 。
      注意:协议可以在这里暂停。

3.载有姜黄素的微凝胶（Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ）的制备

注意:这些步骤必须在黑暗中进行。

  1. 将100毫升的Cur和20毫升乙醇加入到20毫升的玻璃瓶中。
  2. 取2mL的Cur溶液并转移到PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（步骤2.4.7）。以400rpm和室温搅拌过夜。
  3. 在400rpm和室温下搅拌过夜后，使用磁铁收集PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 ，如步骤2.4.5和2.4.6所述。
  4. 向玻璃瓶中加入另外25 mL的水，并通过涡旋重新分散微凝胶。这个解决方案是C ur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2 。

磁性触发药物释放

  1. 转移10 mL Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液，并加入2 mL水至15 mL离心管中。
  2. 将离心管放置在线圈的中心，以应用HFMF 20 。在15KHz下应用HFMF 20分钟。
  3. 取出0.5 mL HFMF溶液，每隔2分钟更换新鲜的0.5 mL水，同时应用HFMF。
  4. 将取出的溶液转移到1-mL比色杯中。
  5. 通过UV / Vis在482nm测量吸出的溶液21 。
  6. 通过使用来自标准校准曲线22的吸收和浓度的关系来确定释放的药物的浓度。
    注意:标准校准关系为:
    s / ftp_upload / 55648 / 55648eq1.jpg"/>
    相关系数为0.9993。

5.磁性微凝胶的表征

  1. 热重分析仪（TGA） 23 。
    1. 测量PNIPAAm / Fe 3 O 4和PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2与TGA在空气气氛下的温度的重量损失。
      1. 将样品从RT加热至100°C，并在该温度下保持10分钟以消除湿度。以10℃/ min的速度将样品从100℃加热至800℃。称量样品。
      2. 绘制PNIPAAm / Fe 3 O 4和PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2的重量损失与温度的关系。
        注意:残渣重量为Fe 3 O 4或Fe 3 O 4 -NH 2 ，而重量为PNIPAAm。
  2. FT-IR"> 24。
    1. 干燥10毫克样品与1克KBr在100℃过夜。
    2. 按照以下步骤（5.2.2.1 - 5.2.2.5）中所述将步骤5.2.1的混合物压成颗粒:
      1. 使用研钵和研杵将步骤5.2.1中的材料研磨成细粉。
      2. 将组装的装置（砂浆和杵）放入颗粒压机中。将设备对准印刷机的正中间。
      3. 泵压机直至达到20,000 psi的压力。让颗粒坐在那个压力下5分钟。
        注意:将设备与印刷机的正中间对准，否则样品将从砂浆中分散出来，造成人身伤害。
      4. 从压机上取出包含颗粒和活塞的模具。
      5. 将其倒置并泵送活塞以迫使颗粒物流出。
    3. 通过FT-IR在400至4000 cm -1的频率记录样品的FT-IR吸收光谱 4厘米-1分辨率24 。
  3. TEM的形态学观察25 。
    1. 将样品溶液放在涂有火棉花的铜格栅上，然后在室温或70°C烘箱中干燥过夜。
    2. 采用TEM图像。
      注意:强电子束可能会损坏样品。因此，应尽可能快地拍摄TEM图像。
  4. 聚合物和微凝胶的水分散能力。
    1. 为了制备PNIPAAm溶液，将7mg PNIPAAm和7mL水加入到7-mL玻璃瓶中。使用涡流混合溶液，直到没有聚集体。
    2. 为了制备PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液，将0.7mL的PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（步骤2.4.7）转移到7-mL玻璃瓶中并加入6.3mL水。使用涡流混合溶液，直到没有沉淀。
    3. 准备Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液，将0.7mL的Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（步骤3.4）转移到7mL玻璃瓶中并加入6.3mL水。使用涡流混合溶液，直到没有沉淀。
    4. 使用数码相机拍摄解决方案（步骤5.4.1 - 5.4.3）。
    5. 将溶液放入烘箱中并将温度设定在70°C。等待2小时直到平衡。
    6. 再来看一下解决方案。为了保持温度，请在1分钟内拍照。避免摇晃玻璃瓶，因为这样可以重新分散沉淀物。
  5. 对于微凝胶的磁集合，将强磁体靠近Cur-PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2溶液（步骤5.4.3）。等到微凝胶完全收集，然后拍照。
    1. 取出磁铁并旋转微凝胶溶液直到完全分散。再拍一张照片/ LI>

结果

PNIPAAm / PEI / Fe 3 O 4 -NH 2微凝胶的合成示意图如图1所示。应用TGA估计有机化合物相对于整个微凝胶的相对组成。由于只有有机化合物PNIPAAm可以燃烧，因此确定了PNIPAAm和Fe 3 O 4 （或Fe 3 O 4 -NH 2 ）的相对组成，如表1所示。为什么PNIPAAm / Fe 3 O 4 -NH 2微?...

讨论

制备的最重要步骤在方案第2节中，用于通过热诱导乳液合成磁性微凝胶。 如图2 （TEM图）所示，由于由PNIPAAm（酰胺基），PEI（胺基）之间的强H键而产生的物理交联，微凝胶的球形结构可以保持在RT（低于LCST）和Fe 3 O 4 -NH 2 （胺基）。基于图4的比较，磁性微凝胶在低（25℃）或高（70℃）温度下良好分散。微凝胶也可以由磁体?...

披露声明

作者没有什么可以披露的。

致谢

这项工作得到台湾科技部（MOST 104-2221-E-131-010，MOST 105-2622-E-131-001-CC2）的财政支持，部分得到原子分子科学研究所的支持，中央研究院

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Poly(N-isopropylacrylamide)Polyscience, Inc21458-10Mw ~40,000
(3-aminopropyl)trimethoxysilaneSigma-Aldrich440140> 99 %
Iron(II) chloride tetrahydrateSigma-Aldrich4493999%
Iron(III) chlorideSigma-Aldrich15774097%
CurcuminSigma-Aldrich00280590
Ammonia hydroxideFisher ChemicalA/3240/PB1535%
Phosphate Buffered SalineSigma-Aldrich806552pH 7.4, liquid, sterile-filtered
Polyethylenimine (PEI)Sigma-AldrichP314350 % (w/v) in water
High-frequency magnetic field (HFMF)Lantech Industrial Co., Ltd.,TaiwanLT-15-8015 kV, 50–100 kHz
Ultraviolet-Visible SpectrophotometryThermo Scientific Co.Genesys
Transmission electron microscopy (TEM)JEM-2100JEOL
Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)PerkinElmerSpectrum 100
Thermogravimetric analyzerPerkinElmerPyris 1
Ultrasonic cell disruptorHielscher UltrasonicsUP50H

参考文献

  1. Hennink, W. E., van Nostrum, C. F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliv Rev. 64, 223-236 (2012).
  2. 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).
  3. Dong, Y., et al. Incorporation of Gold Nanoparticles Within Thermoresponsive Microgel Particles: Effect of Crosslinking Density. J Nanosci Nanotechnol. 8 (12), 6283-6289 (2008).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Okuzaki, H., Kobayashi, K., Yan, H. Thermo-Responsive Nanofiber Mats. Macromolecules. 42 (16), 5916-5918 (2009).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Gil, E., Hudson, S. Stimuli-reponsive polymers and their bioconjugates. Prog Polym Sci. 29 (12), 1173-1222 (2004).
  11. 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).
  12. Rapoport, N. Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery. Prog Polym Sci. 32 (8-9), 962-990 (2007).
  13. Heskins, M., Guillet, J. E. Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide). J Polym Sci A Polym Chem. 2 (8-9), 1441-1455 (1968).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Kim, H. J., Jang, Y. P. Direct analysis of curcumin in turmeric by DART-MS. Phytochemical Analysis. 20 (5), 372-377 (2009).
  23. Horowitz, H. H., Metzger, G. A new analysis of thermogravimetric traces. Analytical Chemistry. 35 (10), 1464-1468 (1963).
  24. Smith, B. C. . Fourier transform infrared spectroscopy. , (1996).
  25. Williams, D. B., Carter, C. B. . Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. , 3-17 (1996).
  26. 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).

转载和许可

请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形

请求许可

探索更多文章

125

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

联系我们

向图书馆推荐

JoVE 新闻简报

科研

教育

发表

图书馆员

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。