JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

אנו מציגים שיטה קלילה לפברק פלטפורמת שחרור תרופה מתכלה מבוסס ג'לטין כי הוא מגנט-תרמית תגובה. זו הושגה על ידי שילוב חלקיקי תחמוצת ברזל פאראמגנטי ו poly (N-isopropylacrylamide- שיתוף -acrylamide) בתוך רשת מיקרו ג'לטין כדורית crosslinked ידי genipin, בשיתוף עם מערכת יישום השדה המגנטי לסירוגין.

Abstract

מגנטית-תגובת biomaterials ננו / מהונדס המייקר המאפשרים פיקוח הדוק, על פי דרישת משלוח סמים פותח סוגים חדשים של מכשירים רכים חכמים עבור יישומים ביו. למרות מספר מערכות אספקת סמים מגנטית-תגובה הוכיחו efficacies דרך או הוכחה במבחנה מחקרים מושג או ביישומים פרה-vivo, השימוש שלהם במסגרות קליניות עדיין מוגבל על ידי התאמה ביולוגית או פריקות ביולוגית מספיק שלהם. בנוסף, רבים של פלטפורמות קיימות להסתמך על טכניקות מתוחכמות ההמצאות שלהם. אנו לאחרונה הדגימו את ייצור של microgel טרמו תגובה מתכלה, מבוסס-ג'לטין ידי כולאת פיזית פולי (N-isopropylacrylamide- -acrylamide שיתוף) שרשראות כמרכיב קטין בתוך רשת ג'לטין תלת ממדי. במחקר זה, אנו מציגים שיטה קלילים לפברק פלטפורמת שחרור תרופה מתכלה המאפשרת-t מגנטhermally מופעל שחרור תרופה. זו הושגה על ידי שילוב חלקיקי תחמוצת ברזל פאראמגנטי ופולימרים טרמו מגיבים בתוך microgels קולואידים מבוססי ג'לטין, בשיתוף עם מערכת יישום השדה המגנטי לסירוגין.

Introduction

גירויים-תגובת מערכות אספקת סמים המאפשרים משלוח סמים תחת פיקוח הדוק בתגובה או לגירויים אנדוגני או אקסוגני (למשל., טמפרטורה או pH) נחקרו בהרחבה כמו סוגים חדשים של מכשירים רכים חכמים עבור משלוח סמים. הידרוג microscale יש הועסק נרחב כפלטפורמת משלוח סמים בכך שהם מקנים פרופילי שחרור תרופה לשליטת קיימא וכן כימיות מתכונן תכונות מכאניות 1-3. בפרט, microgels קולואידים להפגין יתרונות רבים ככלי משלוח סמים בשל ההיענות המהירה שלהם לגירויים חיצוניים injectability המתאים לרקמות מקומיות בצורה פולשנית 4. פולי (N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) או קופולימרים שלה אומצו באופן נרחב ב סינתזת microgels התרמו-תגובה על ידי השתלת pNIPAM עם מתכלה / פולימרים ביולוגיים כולל ג'לטין, chitosan, חומצת אלגינט, או חומצה היאלורונית 5,6, שבו מאפיין המעבר לשלב של pNIPAM בטמפרטורת הפתרון הקריטי התחתון (LCST) יכול לשמש כמפעיל של שחרור תרופה 7. אנחנו לאחרונה הפגינו ייצור של מתכלה, microgel טרמו תגובה מבוססי ג'לטין על ידי שילוב פולי (N-isopropylacrylamide- שיתוף -acrylamide) [p (NIPAM- שיתוף -AAm)] שרשראות כמרכיב קטין בתוך רשתות ג'לטין תלת מימדי 8. את הג'לטין / p (NIPAM- שיתוף -AAm) microgel הציג והצטמקות מתכונן לעלייה בטמפרטורה, אשר מתואמים בחיוב שחרורו של אלבומין בסרום שור (BSA).

במהלך השנים האחרונות, יש כבר הגדלת מאמצים לפתח פלטפורמת משלוח סמי תגובה מגנטית שיכול לעורר את שחרורו של תרופה בתוך 9,10 אופנה על פי דרישה. העיקרון הבסיסי לסינתזה של פלטפורמת משלוח סמים תגובה מגנטית מנצל את המאפיין של חלקיקים פאראמגנטי (MNPs) כדי לייצר חום כאשר הם מקבלים בתדירות גבוהה לסירוגין שדה מגנטי (AMF), אשר מעורר שחרור תרופה רגישה לטמפרטורה. זה טומן בחובו הבטחה עבור יישומים קליניים עתידיים כי מערכת זו יכולה למקד עמוק לתוך הרקמה, מאפשר שחרור התרופה פולשני נשלט מרחוק והוא יכול להיות משולב עם טיפול היפרתרמיה ומערכת הדמיה בתהודה מגנטית 10-12. פלטפורמות אלה כוללות: (1) חלקיקי microgel ההיברידית MNPs / pNIPAM 13-15 ו (2) פיגומי הידרוג'ל מקרוסקופית שילוב משותקים MNPs 16-18. פלטפורמות microgel המבוססות pNIPAM הפגינו היענות מעברת לשלב נפח דק-מתכוננת לגירויים מגנטו-תרמי. עם זאת, הם עדיין מסתמכים על טכניקות מורכבות ומשוכללות הייצור ושימוש פולימרי pNIPAM עם תכולה גבוהה ניתן פוטנציאל ציטוטוקסיות לתאים 19, אשר עשוי להגביל יישומי in vivo שלהם. פיגומים מקרוסקופית להפגין קרוב משפחהly איטי בתגובה לגירויים חיצוניים ודורשים השתלת כירורגית פולשנית לעומת microgels קולואידים.

תחליב מים ב-שמן כבר הגישה הסטנדרטית לייצר submillimeter או ג'ל בגודל מיקרומטר חלקיקים 20. על ממשק מים-שמן של תחליב, חלקיקי microgel יוצרים צורה כדורית בשל מזעור אנרגיה פני שטח של אגל המים תחת כוח הגזירה מכאנית. שיטה זו מאפשרת ייצור של כמות הגדולה של טיפות ג'ל כדוריות מימית בהליך ייצור פשוט אומצה בהצלחה בודה microgels מבוסס ג'לטין עבור יישומי משלוח סמי 21-23.

כאן, אנו מציגים שיטה קלילה לסנתז microgels מבוסס ג'לטין תגובת magnetothermally ליישום משלוח סמים על ידי העסקת מים ב-שמן שיטת התחליב. זו הושגה על ידי MNPs תחמוצת ברזל שילוב פיזית p (שיתוף NIPAM- -עאם) שרשראות כמרכיב קטין בתוך רשת ג'לטין microscale כדורית כי הוא crosslinked קוולנטית ידי genipin crosslinker טבעי הנגזרות, בשיתוף עם תדר גבוה לסירוגין השדה המגנטי (מערכת יישום AMF).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

הערה: התהליך הכולל של בודה microgels ג'לטין שדה מגנטי-תגובה מתוארת באיור 1A.

1. פתרונות השעיות הכנה

  1. הכן genipin crosslinker (1% w / v) פתרון על ידי המסת 20 מ"ג של genipin ב 2 מ"ל של בופר פוספט (PBS 1x; pH 7.4). וורטקס הפתרון ומניחים באמבט מים C 50 o עבור שעה 2 כדי לפזר את הפתרון לחלוטין.
  2. כן פתרון פעיל שטח על ידי המסת 20 מ"ג של פולי (אתילן גליקול) -poly (פרופילן גליקול) -poly (אתילן גליקול) (M w = 2,900 Da; הכונה L64) ב 200 מיליליטר של PBS להיות בריכוז של 100 ppm.
  3. כן 15% (w / v) פתרון ג'לטין על ידי המסת 64.5 מ"ג של ג'לטין ב 0.43 מיליליטר של PBS. וורטקס הפתרון ומניחים אותו על אמבט מים ב 37 מעלות צלסיוס עד שהוא מגיע שלב סול, שם הפתרון הופך fluidic. ואז, מערבולת הפתרון ג'לטין 2 - 3 פעמים על מנת להבטיח ה דואר ההומוגניות של המדגם.
  4. הכנת p (NIPAM- שיתוף -AAm) / פתרון MNPs עם תרופה מודל (BSA):
    1. לפזר 10.75 מ"ג של הידרופילי MNPs ב 0.43 מ"ל של PBS ולאחר מכן לפזר 12.9 מ"ג של p (NIPAM- שיתוף -AAm) ההשעיה MNP על מנת להפוך את הריכוז 3% (w / v). הריכוז המוגבר של p (NIPAM- שיתוף -AAm) ניתן להשתמש כדי להשיג התנהגות והצטמקות מוגברת microgels.
    2. השתמש אלבומין טקסס-אדום שור מצומדות (TR-BSA; M w ~ 66 KDA) כתרופה מודל. ממיסים 0.5 מ"ג של TR-BSA בתערובת של p (NIPAM- שיתוף -AAm) / MNPs.
  5. הכן תערובת של ג'לטין / p (NIPAM- שיתוף -AAm) / MNPs / פתרון BSA (0.86 מ"ל) על ידי הוספת תערובת של p (NIPAM- שיתוף -AAm) / MNPs (0.43 מ"ל) לתוך התמיסה ג'לטין (0.43 מ"ל) ולאחר מכן מערבולת אותם ביסודיות כדי ליצור תערובת הומוגנית. לפיכך, הריכוזים של פולימרים MNP להוות מחצית הריכוזים הראשוני בתערובת הסופית.

s = "jove_title"> 2. תחליב

  1. יוצקים 15 מ"ל של שמן סיליקון [polydimethylsiloxane (צמיגות 350 CST)] לתוך מבחנה נקי וסטרילי.
  2. מייד להוסיף את התערובת המימית המוכנה מראש של ג'לטין / p (NIPAM- השיתוף -AAm) / MNPs / פתרון BSA (0.86 מיליליטר) לתוך שמן סיליקון חלב את התערובת המימית בשלב הנפט על ידי ערבוב עם בר בחישה מגנטית ב 900 סל"ד 30 o C למשך 30 דקות.

3. gelation והעברת מיקרו-טיפות כדי בתמיסה מימית

  1. מעבירים את אמולסיה (~ 16 מ"ל) מן הכוס לתוך צינור 50 מ"ל.
  2. לקרר את הצינור במשך 10 דקות ב 4 מעלות צלזיוס במשך gelation של-טיפות מיקרו בשמן.
  3. מלא את הצינור עם פתרון L64 המוכן (ב 4 C o) עד 50 מ"ל נמרצות לנער את הצינור. זה עשוי להיות אפשרי כי חלק L64 פעיל שטח יהיה בתוך microgels.
  4. צנטריפוגה הצינור במשך 20 דקות ב 2300 XG ב 4 מעלות צלסיוס
  5. Regularly לבדוק את קיומו של גלולה של חלקיקים ג'ל בצד של הצינור. אם החלקיקים אינם נתפסים, צנטריפוגות במשך 20 דקות אחר באותה מהירות וטמפרטורה. המשך להסיר supernatant בזהירות מבלי להפריע גלולה נוצר על הקיר הפנימי של הצינור.
  6. חזור על שלבים (3.3) עד (3.5) פעם נוספת. בכל פעם, להעביר את המדגם כדי צינור חדש, כדי למנוע את הכללתו של טיפות שמן השעית microgel. לאחר שלב זה, להבטיח כי פעילי שטח או טיפות שמן אינם נמצאים ההשעיה המדגם. עם זאת, צעדי ההפרדה חזרו עלול להוביל לאובדן של חומרים ראשוניים.

4. קוולנטיים Crosslinking של Microgels

  1. הוסף 2 מ"ל של תמיסת genipin (מוכן בסעיף 1) על גלולה של חלקיקים ג'ל ומערבבים אותם היטב על ידי vortexing הפתרון.
  2. העבר במהירות הצינור של ההשעיה באמבט מים ב 23 מעלות צלסיוס ליזום תגובה crosslinking קוולנטיים במהלך des(. למשל, 5 - 120 דקות) זמן crosslinking IRED.
  3. לאחר crosslinking, להסיר לאלתר כל crosslinkers מופרזת על ידי השלכת הפתרון genipin, resuspending את microgels ב PBS, צנטריפוגה הצינור במשך 20 דקות ב 2300 XG (4 C o). במידת הצורך, בזהירות בנפרד לשבור נוצר גלול עם קצה פיפטה. שלב כביסה זה ניתן לחזור עד 3 פעמים אם genipin עדיין שנותר הפתרון.
  4. בטל supernatant ו resuspend microgels PBS ב צפיפות הרצוי (למשל., 5 × 10 6 microgels / מ"ל) על ידי ספירת מספר עם hemocytometer.
  5. עבור תצפיות מיקרוסקופיות, לטעון את ההשעיה microgel במרחב שבין כוס שקופיות להחליק לכסות ולאטום את הגבול של להחליק את המכסה עם שרף אפוקסי.

5. יישום של שדה מגנטי לסירוגין מפעיל שחרור תרופה

  1. מניח את צינור עם ריכוז רצוי של microgels במדיה מימיים לתוךלשכת סלילים מגנטיים. במידת הצורך, להוסיף בדיקה טמפרטורה סיב אופטי לתוך הצינור לפקח שינוי הטמפרטורה של התקשורת במהלך היישום של AMF.
  2. החל בתדר גבוה (> 100 kHz) AMF בכל עוצמת השדה מוגדר (> 5 Ka / מ ') למשך תקופה מוגדרת. בעקבות יישום של AMF, צנטריפוגה הצינור מדגם במשך 20 דקות ב 2273 XG (C o 4) לאסוף את supernatant כדי לכמת את כמות TR-BSA שוחרר מבית microgel לתקשורת שמסביב באמצעות spectrophotometry. אורכי גל העירור והפליטה עבור Red טקסס הם 584 ננומטר ו -612 ננומטר, בהתאמה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

כאשר הפרוטוקול מבוצע כהלכה, microgels המפוברק צריך להפגין מורפולוגיה כדורית מאופיינת היטב dispersibility קולואידים בקטרים ​​בטווח שבין 5 מיקרומטר עד 20 מיקרומטר (איור 1B ו- C). כך או MNPs פלורסנט או BSA ניאון ניתן להשתמש כדי לאשר אם MNPs או סמים (BSA במחקר זה) כמ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

הטכנולוגיה המתוארת כאן מדגימה proof of concept על שימוש כלאי nanoparticle-microgel עבור שחרור תרופה מגנט-תרמית מאולצת. זו הושגה על ידי כולאת MNPs ו- p פיזית (NIPAM- שיתוף -AAm) שרשראות בתוך רשת ג'לטין microscale תלת מימדי crosslinked ידי genipin. פלטפורמת השדה המגנטית-התגובה הייתה מספיק כדי לייצר חום ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה מומן על ידי פאריס משפחה פרס החדשנות ו- NIH 1R01NR015674-01 לח"כ. המחברים מודים Josep Nayfach (Qteris, Inc) למתן מערכת גנרטור אלקטרו-מגנטי כמו גם הייעוץ הטכני שלו. המחברים מודים גם הואן יאן (LCI & כימית תכנית הבינתחומית פיסיקה, קנט סטייט) עבור עוזרים הטכניים שלה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
GelatinSigma-Aldrich, MO, USAG2500Gelatin type A, porcine skin
poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylamide) Sigma-Aldrich, MO, USA738727MW = 20,000, LCST = 34 - 38 °C
Silicone oilSigma-Aldrich, MO, USA378372Viscosity 350 cSt
Pluoronic L64Sigma-Aldrich, MO, USA435449poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)
genipinTimTec LLC, DE, USAST080860MW = 226.23
Magnetic nanoparticles (MNPs)Micromod Inc, Germany79-00-102nanomag-D-spio, 100 nm
TR-BSALife Technologies, NY USAA23017Albumin 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Bioengineering108Microgelmagnetothermal

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved