Grafeenoksiidiga parendatud sooli-geeli üleminekutundlikkus ja amfifiilse kopolümeeril põhineva nanokomposiidi toimeaine vabanemine | teaduslikud aruanded

Grafeenoksiidiga parendatud sooli-geeli üleminekutundlikkus ja amfifiilse kopolümeeril põhineva nanokomposiidi toimeaine vabanemine | teaduslikud aruanded

Anonim

Õppeained

  • Biomeditsiinilised materjalid
  • Grafeen

Abstraktne

Me teatame väga tundliku amfifiilse kopolümeeril põhineva nanokomposiidi valmistamisest, mis sisaldab grafeenoksiidi (GO), mis näitas madala intensiivsusega ultraviolettvalguse poolt esile kutsutud sol-geeli üleminekut. Pärast GO lisamist täheldati komposiitgeelide mittetsütotoksilisust. Eriti huvipakkuvad olid mikrokanalid, mis moodustusid spontaanselt GO-ga ühendatud UV-geelis, mis kiirendasid ravimi pidevat vabanemist. Seetõttu loodetakse, et praegused ultraviolettvalgustundlikud, mittetsütotoksilised amfifiilsed kopolümeeril põhinevad komposiidid pakuvad tõhustatud fototermilist ravi ja keemiaravi nii GO ainulaadsete fototermiliste omaduste kui ka tõhusa passiivse sihtimise abil, mis tuleneb sooli-geeli ülemineku tunnusest. paranenud tundlikkusega kopolümeeril põhinev süsteem, mis tõotab seega vähi- ja muude haigustega patsientide paremat ravi.

Sissejuhatus

Termotöötluse abil on tõestatud, et paljudel amfifiilsetel plokkpolümeeridel on sooli-geeli siirdekäitumine, nagu ajendatud ise kokkupandud mitsellidest 1, 2, 3, 4 . Selliselt moodustatud geeli nimetatakse ka termogeelideks, millest enamik iseloomustab inimese kehatemperatuurist tingitud sool-geeli üleminekut 5, 6, 7, mis on väga kasulik biomeditsiini valdkonnas, nt vähi 8 raviks ja rakkude kasvufaktori 9 edastamiseks. inimeste tervishoiu jaoks. Lihtsa intravenoosse manustamise kaudu saab ravimitega täidetud lähtesooli kiiresti viia geeli inimkeha kahjustatud osal, et jätkata in vivo ravimi vabanemisel põhinevat keemiaravi; seda on laialdaselt ära kasutatud, mis on põhjustanud dilemma. Seetõttu on väga soovitav välja töötada uued mehhanismid paremate materjalide valmistamiseks, mis võimaldavad tõhustatud raviviise vähi- ja muude haiguste raviks.

Selles artiklis uuritakse esmakordselt grafeenoksiidi (GO), mis on populaarne süsinikmaterjal erinevates teadusharudes, sealhulgas biomeditsiinis 7, 10, 11, 12, 13, 14 jne, amfifiilse kopolümeeri, polü (etüleeni) valmistamiseks glükool) metüüleeter (mPEG) -polü (ε-kaprolaktoon) (PCL) -mPEG, väga UV-valgustundlik, mis põhjustab uue nutika nanokomposiitmaterjali genereerimise, mis lubab potentsiaalseid biomeditsiinilisi rakendusi. Tegelikult on paljudes aruannetes arutatud, et GO ja selle redutseeritud analooge, nimelt redutseeritud grafeenoksiidi (rGO) saab kasutada infrapunakiirguse (NIR) valguse neeldurina mitteinvasiivseks fototermiliseks raviks, näiteks tuumori in vivo ablatsiooniks. GO või rGO silmapaistvatest fototermilistest omadustest 15, 16, 17, 18 . Kuid GO, rGO või nende modifitseeritud derivaadid (näiteks PEG-funktsionaliseeritud grafeen) on tavaliselt enne ja pärast intravenoosset manustamist lahustunud olekus, mis annab tõenäoliselt madala manustamise efektiivsuse ja võib isegi põhjustada normaalsele kõrvalnähtu. rakud, eriti arvestades, et mõnel materjalil oli sihtliigandi 19 puudumisel ainult piiratud passiivne tuumori omastamine. Siin tutvustame uut kontseptsiooni, mis arvatakse saavutavat tõhusa passiivse sihtimise tänu parendatud sooli-geeli üleminekule amfifiilse kopolümeeri ja grafeeni keemiliste ainete baasil, nt algsool võib kiiresti muutuda immobiliseeritud geeliks pärast süstimist kasvaja sihtrühma. Tänu GO suurele eripinnale ning suurepärasele optilisele neeldumisele ja fototermilisele muundamisele 15 eeldatakse, et kontseptsioon tagab tõhustatud fototermilise ravi ja keemiaravi, nt suurendades ravimite laadimisvõimet ja suurendades soojuse teket. Pärast polümeermaatriksitesse kapseldamist on ka GO hästi tõestatud, et sellel on madal toksilisus ja kõrge biosobivus 10 .

Eriti huvipakkuv on see, et GO-ga liitumine võib anda amfifiilse kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG suhtes suurenenud siirde tundlikkuse, sel juhul madala intensiivsusega ultraviolettvalgustundlikkuse (selliselt moodustunud geeli märgistatakse kui UV-geeli, ning neid, mille GO-sisaldus on madalam ja kõrgem, tähistatakse vastavalt vastavalt 0, 2GO ja 2, 0GO), samas kui meie puhta kopopümeerisüsteemi puhul ei olnud samades UV -oludes võimalik jälgida sool-geeli üleminekut. Paljud uuringud on keskendunud NIR-valguse kasutamisele fototermilises ravis, kuna NIR-valguse märgatav termiline efekt võib laineresonantsi 10, 20, 21 tulemusel tekkida enamikul objektidel (eriti grafeenmaterjalidel, millel on tugev NIR-valguse neeldumine). Seevastu ultraviolettvalgusel on piiratud termiline toime, hoolimata selle ainulaadsetest keemilistest mõjudest nagu fluorestsents ja desinfitseerimine. Seetõttu on oluline järeldus, et GO on võimeline amfifiilsetele kopolümeeridele andma madala intensiivsusega (0, 8 mW / cm2) UV-valguses (365 nm) üleminekut sooli-geeli. See tähendab ka seda, et GO tagab märkimisväärselt kõrge tundlikkuse amfifiilse kopolümeeri suhtes, et saada üleminek sool-geelile.

On teatatud, et nano- või mikrokanalitel põhinevad ravimite kohaletoimetamise tehnoloogiad pakuvad enneolematut võimalust kontrollida ravimite vabanemise kineetikat manustamisvahendites 22 . Mikrokanalid on loodud ka tahtlikult ja neid kasutatakse ravimite manustamiseks 22, 23, 24 . Siin moodustusid mikro-kanalid UV-geelis spontaanselt, nagu indutseeris GO suunav toime, mis võib anda vähendatud difusioonibarjääri ja seega suurenenud ravimi vabanemise kiiruse UV-geelile; see on eelis traditsioonilise ravimikandja (enamikul juhtudel rGO) ees koos bioühilduvate linkerpolümeeridega, näiteks PEG 25 ja glükoosiga 26, mis on difusioonibarjäärid 27 . Selle tulemusel avab siin esitatud töö uue struktureeritud plokk-kopolümeeril põhinevate komposiitmaterjalide valmistamiseks mikrokanalitega, kasutades grafeenkeemiat. See uuring annab ka valgustundlike süsiniknanomaterjalide või metallnanoosakestega kopolümeeril põhinevate nanokomposiitide valmistamise tõhustatud fototermilise ravi ja keemiaravi jaoks.

Tulemused

Joonis 1 illustreerib ultraviolettvalgustundlike amfifiilsete kopolümeeril põhinevate komposiitide valmistamist koos GO-ga UV-valguse sensibilisaatorina. Fotopiltide ja skemaatiliste diagrammide põhjal võib komposiitsüsteemides täheldada selget sooli-geeli üleminekut pärast praegust 365 nm ultraviolettvalguse kiirgust madala intensiivsusega (0, 8 mW / cm2) ainult 10 minuti jooksul, samas kui selline ultraviolettvalgusega juhitav kiirgus puhast kopolümeersüsteemi puhul ei saa sooli-geeli üleminek toimuda, kuna ultraviolettvalguse piiratud termiline mõju puhtal kopolümeeril ilma GO-ga on tõend, mida tõendab puhta kopolümeeri vesilahuse (35 massiprotsenti) fototermiline kuumutamiskõver madala intensiivsusega ultraviolettkiirguse (365 nm) kiirgustingimused (täiendava teabe (SI) joonis S1). Samuti leidsime, et nii kehatemperatuuri ümbritsevat termotöötlust kui ka NIR-i valguse kiiritamist oli lihtne kasutada nii puhta kopolümeeri kui ka selle GO-ga nanokomposiitide sool-geeli üleminekuks, mis omistati amfifiilse kopolümeeri soojustundlikkusele ( sooli-geeli üleminekuga kehatemperatuuril, st umbes 37 ° C 7, nagu on näidatud kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG faasiskeemil; vt SI joonis S2) ja NIR-valguse märgatava termilise efekti korral 28 nt isegi puhta vee peal, nagu on näidatud SI joonisel S3. Ehkki uuringud on näidanud, et rGO-l on võrreldes GO-ga parem fototermiline toime, saab rGO-d vesifiilsete hapnikurühmade puudumise tõttu vaevalt vesilahuses hajutada - 15, 29, 30 . Ilma efektiivse pinna modifitseerimiseta on rGO valmis koondama 31, 32, vähendades sellega märkimisväärselt oma jõudlust biomeditsiiniliste rakenduste jaoks. Järelikult kasutatakse selles uuringus põnevate lahuse omadustega GO-d, et funktsionaliseerida mPEG-PCL-mPEG, mida saab hõlpsalt polümeermaatriksis hajutada. Et välistada GO otsese geelistumise võimalus ilma kopolümeeri kaasamata, töödeldi samades UV-tingimustes ka GO vesidispersiooni kontsentratsiooniga 2, 0 massiprotsenti ja puhta GO dispersiooni geelistumist ei saa täheldada, nagu on näidatud SI joonisel S4. Sellegipoolest, isegi nii madala intensiivsusega UV-kiirguse korral muutub GO struktuur π-konjugatsiooni taastamise osas pisut, mida kinnitab GO-le iseloomuliku UV / vis-neeldumisriba (umbes 231 nm) kerge punane nihe (indekseerituna) aromaatse süsinikuvõrgu π → π * üleminekule (joonis S5, SI) 33 . Tegelikult on teada, et intensiivne ultraviolettvalguskiirgus (~ 1 W / cm2, mis on umbes kolm magnituuti suurem kui meie puhul) muudab GO rGO-ks, mille arvatakse käivitavat GO-lehtede fotojuhtimisega kuumutamine, seega luues lehtede ja nende vahetu vesikeskkonna jaoks kõrge temperatuuri ja reaktiivse keskkonna 34 . Sellise reaktiivse keskkonna proovimiseks, mis võib ka meie puhul olemas olla hoolimata madala intensiivsusega ultraviolettkiirgusest, viidi metüleenvärvi (MB) värviga GO-ga fotodegradatsiooni (joonis S6, SI). Leiame, et MB-molekulide ja GO-lehtede vahel on tugev adsorptsiooni interaktsioon, nagu mujal tõestatakse 35 ja mida kinnitavad ka meie tulemused, et ainult 23-tunnise adsorptsiooni interaktsiooni korral UV-kiirgusega välja lülitatud ( st pimedas) on UV / vis-tüüpi tüüpiline neeldumine MB riba (umbes 660 nm) oli suuresti lagunenud ja nihkub umbes 670 nm juurde. Seevastu GO puudumisel on MB hea stabiilsus UV-kiirguse vastu. Huvitaval kombel märgitakse, et GO-l on MB-le fotodegradatsiooniefekt, mida saab kinnitada paralleelsete testidega (joonis S6, SI); ultraviolettkiirgusega kiiritatud materjal vastab saadud MB lahusele, mille MB iseloomuliku UV / vis-absorptsiooniriba intensiivsus on madalam. Sellest tulenevalt usume, et praegune madala intensiivsusega UV-valgustus võimaldab ka GO-lehtede fotojuhitavat kuumutamist (nagu on näidatud SI joonisel S1), mis tuleneb GO tugevast UV-neeldumisest, erakordsest soojusjuhtivusest ja spetsiifilisest soojusmahtuvusest 15, mis tekitab kõige tõenäolisemalt termilise efekti, mis hõlbustab amfifiilse kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG järgnevat ultraviolettvalgust põhjustatud sooli-geeli üleminekut.

Image

UV-valgusallikas: 365 nm, 0, 8 mW / cm2.

Täissuuruses pilt

Amfifiilse mPEG-PCL-mPEG efektiivset sünteesi kinnitavad ATR-FTIR ja 1H NMR spektrid, nagu on näidatud vastavalt joonistel 2 ja 3. Esmalt viidi läbi ε-CL rõnga avamise polümerisatsioon, et sünteesida vaheprodukt mPEG-PCL-OH, mis seejärel ühendati HMDI-ga, moodustades lõpliku amfifiilse kopolümeeri. Sünteesi näitamiseks kasutatud molekulaarstruktuurid on toodud joonisel S7 (SI). Mis puutub ε-CL-sse, siis saab tüüpilise FTIR-neeldumise ~ 1729 cm- 1 juures laktoonirühmaga võrrelda. Pärast mPEG-ga polümerisatsiooni saab mPEG-PCL-OH OH-otsrühma kontrollida FTIR-i neeldumisega umbes 3547, 1100 ja 740 cm- 1, mis on määratud OH venitus-, CO-venitus- ja OH- paindevibratsiooniks vastavalt 32, 36, 37, 38 . Pärast mPEG-PCL-OH ühendamist HMDI-ga kaob HMDI NCO-rühm (mis vastab IR-imendumisele 2251 cm- 1 juures ), millega kaasneb amiidrühma teke, nagu on näidatud joonisel 2, mis viitab efektiivsele sidumisreaktsioonile ja mPEG-PCL-mPEG 6, 7 edukas süntees. Sünteesi edasiseks kontrollimiseks on joonisel fig 3 toodud mPEG-PCL-mPEG 'H NMR spekter koos süvendis näidatud molekulaarstruktuuriga. NMR-neeldumisjooni saab indekseerida vastavalt molekulaarstruktuuris märgitud kohtadele.

Image

Sünteesis osalenud sünteesitud puhta kopolümeeri, vahesaaduse ja toorainete ATR-FTIR spektrid.

Täissuuruses pilt

Image

Sünteesitud puhta kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG 'H NMR spektrid.

Täissuuruses pilt

Pärast kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG efektiivse sünteesi kinnitamist viisime seejärel läbi lüofiliseeritud UV-geeli mikrostruktuuri SEM-uuringu (joonis 4). Võrdluseks valmistati puhas kopolümeergeel ka kehatemperatuurist põhjustatud so-geeli üleminekuga. Kõigil hüdrogeeli proovidel on mikropoorsed struktuurid. Puhta kopolümeergeeli mikropoorid on näidatud ühtlasemad, väiksema suurusega, võrreldes komposiitgeelide 0, 2GO ja 2, 0GO omadega. Selle põhjuseks on asjaolu, et valmistatud suure külgsuurusega (mikromõõtmetes) GO häirib tugevalt polümeeri mitsellide agregatsiooni järjestatud viisil. Struktuuri üksikasjad GO on esitatud SI abil erinevate iseloomustuste, sealhulgas SEM (joonis S8), AFM (joonis S9), XRD (joonis S10) ja FTIR (joonis S11), mis on hea joonega GO struktuur, nagu mujal teatatud, 13, 39, 40 . GO-lehtede hapniku rühmadel (joonised S10 ja S11, SI) on tõenäoliselt ka interaktsioon mPEG-PCL-mPEG hüdrofiilsete plokkidega, mis võib häirida mPEG ja PCL plokkide vahelist hüdrofiilset ja hüdrofoobset tasakaalu. vaatamata asjaolule, et kõigi nende proovide ( st puhta polümeeri, 0, 2GO ja 2, 0GO) FTIR-spektrid on üksteise lähedal, ainult väikese erinevusega ( nt NH-venitusest tulenev IR-neeldumine), nagu on näidatud joonisel fig. S12 (SI). Eriti huvitav on komposiitgeeli mikrokanalite vaatlus kõrgema GO kontsentratsiooniga, antud juhul 2, 0GO (joonis 4d, f). GO-lehtede suur suurus, aga ka nii hüdrofiilsete kui ka hüdrofoobsete domeenide olemasolu nende pinnal teeb selle mikrokanalite moodustamiseks tõenäoliselt valmis, nagu on kujutatud ka joonisel fig 4 toodud struktuurimudelil (helerohelised varjundid on harjunud tõsta esile mõned mikrokanalid). Arvatakse, et sellised mikrokanalid on kasulikud ravimi kontrollitud vabanemise korral, kuna nende olemasolu võib kiirendada ravimi pidevat vabanemist, vähendades ravimi difusioonibarjääri mikrokanalit juhtiva toime tagajärjel 22, 23, 24, 41 .

Image

Lüofiliseeritud geeliproovide, sealhulgas puhta kopolümeeril põhineva termogeeli ( a ) ja 0, 2GO ( b, c ) ning 2, 0GO ( d - f ) UV-geelide SEM-vaatlus. Paremal küljel on ka lüofiliseeritud geeliproovide mikrostruktuuride skemaatiline illustratsioon heleroheliste varjunditega, et esile tuua mikrokanalid nanokomposiidis 2.0GO.

Täissuuruses pilt

DSC-d kasutatakse ka kopolümeeril põhinevate nanokomposiitide molekulaarstruktuuri täiendavaks demonstreerimiseks (joonis 5 ja joonised S13 – S15, SI). Kõigil proovidel on kaks sulamispiiki, mida võib leida 2. astme DSC kuumutamiskõveratelt (joonised S13 – S15, SI), samal ajal kui teise katse DSC jahutuse termogrammidel on näha ainult üks kristalliseerumise tipp (joonis 5). ). Kahekordse sulamispiigi ilmumine on seotud PCL-plokkide ümberkristallimisega kuumutamisel 42, 43 . Kristallimise tipptemperatuuri tõstetakse astmeliselt puhtalt kopolümeerilt (0, 2GO) 2, 0GO-ni (joonis 5 (b)), samas kui FWHM (joonis 5 (c)) ja suhteline kristallumine (joonis 5 (d)) näitavad vastupidist. trend. GO lisamisel võib olla tuuma mõju GO-lehtede ümber olevate polümeeriahelate kristalliseerumisele, mis viib DSC jahutusprotsessi ajal kiiremini kristalliseerumiseni. Kuid GO olemasolu mõjutab häirivalt ka kopolümeeri ahelate üldist regulaarset pakkimist, vähendades sellega saadud komposiitide suhtelist kristallumist ja FWHM-i. On mõistlik täheldada, et suurem GO sisaldus võib muuta tuuma ja häirivad mõjud silmatorkavamaks (joonis 5).

Image

( a ) Teise astme jahutustermogram erinevate proovide jaoks. ( b, c, d ) Kristallimise piigi positsiooni ( b ) suhtelise kristallumise ( c ) ja FWHM ( d ) võrdlus erinevate proovide vahel. Pange tähele, et suhteline kristallumine arvutati kristallimise piigi pindalana (ühik: J / g).

Täissuuruses pilt

Hüdrogeeliproovide toimeainet püsivalt vabastavat toimet hinnati in vitro uuringus. Hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete mudelravimitena kasutasime vastavalt aloiini ja kurkumiini, mille tulemused on toodud joonisel 6 (a – d). Vere füsioloogilise pH ja happelise rakusisese keskkonna jäljendamiseks kasvajarakkudes (omistatakse metaboolsetele lõpptoodetele, mis kogunevad kasvaja mikrokeskkonnas 44 ) kasutati pH 7, 4 ja pH 5 puhverlahuseid vastavalt 45, 46 . Kolmes hüdrogeeli proovis sisalduval aloiinil ja kurkumiinil on tüüpilised ravimi vabanemisprofiilid, st algne kiire vabanemine ja seejärel pidev vabanemine (nagu parabooli jäljed kogu vabanemise perioodil). PH 7, 4 tingimustes arvutatakse aloiini ja kurkumiini lõplikuks vabastavaks sisalduseks vastavalt 120 h pärast vastavalt 70 ~ 85% ja 40 ~ 65%, nagu on näidatud vastavalt joonisel 6 (a, c). Võrreldes pH 7, 4 tingimustega võib märkida, et sama ravimi kandja ravimi vabanemiskiirus on kõrgem pH 5 puhvris mõlema ravimi, antud juhul aloiini (joonis 6 (b)) ja kurkumiini (joonis 6) korral. 6 (d)). Riba graafikud kumulatiivse vabanemise sisu võrdlemiseks pärast 24-tunnist vabanemist on samuti kujutatud SI joonisel S16. Spekuleerime, et kirjanduse 45, 47, 48, 49 kohaselt võib happelise puhverlahuse kõrgemat vabanemiskiirust seostada järgmiste punktidega: (i) mPEG-PCL-mPEG kopolümeeri amiidi- ja esterrühmad muutuvad hüdrolüüsitavamaks happelistes tingimustes, mis näitab, et kopolümeeril põhinevad mitsellid on tõenäoliselt mõnevõrra lõhutud 47 ; (ii) ravimite suurem lahustuvus happelises lahuses 49 ; (iii) ravimimolekulide protoneerimine happelises lahuses võib mingil määral nõrgendada nende koostoimet ravimiga. Järelikult on selline meie ravimikandjale iseloomulik vabanemine, nimelt suurenenud vabanemiskiirus tuumori mikrokeskkonna happelistes tingimustes, pahaloomulise kasvaja, vähi ja muude haigustega patsientide tõhustatud ravis suurt tõotust.

Image

Ravimi kontrollitud vabanemise testi tulemused olid aloiini väärtustel pH 7, 4 ( a ) ja pH 5, 0 ( b ) ning kurkumiini korral pH 7, 4 ( c ) ja pH 5, 0 ( d ) korral. ( e ) Käesoleva UV-kiirgusega vallandatud sooli-geeli siirde ja mikrokanalite moodustumise skeem illustratsioon amfifiilse kopolümeeril põhineva UV-geeli sees, mis on täidetud GO-lehtedega, samuti mikrokanalite juhtivuse mõju ravimi kiirendatud vabanemisele. Iga paneeli vasakus servas olev sisend on valikuliselt suurendatud, et näidata 10-tunnist ravimi vabastamist; paremal pool on vastava ravimi kalibreerimiskõver.

Täissuuruses pilt

Nagu arvati, soodustab GO kaasamine mõlema ravimi vabastamist. Mida suurem on GO kontsentratsioon, seda kiirem on ravimi vabanemiskiirus. Seda saab hästi seletada GO indutseeritud mikrokanalite moodustumisega (mida kinnitab SEM) 41 . Suurema hulga GO lisamine tekitab rohkemate mikrokanalite genereerimise, millel võib olla juhtiv roll ravimi vabanemisel hüdrogeeli piiritlevast võrgust ja seega ka difusioonibarjäär ravimi molekulide vastu. Sellist mikrokanalite juhtivuse mõju ravimi pidevale vabanemisele on skemaatiliselt illustreeritud ka joonisel fig 6 (e) koos tundliku sooli-geeli ülemineku kirjeldusega praegustes madala intensiivsusega UV -oludes. Samuti märgime, et hüdrofoobsel ravimil (kurkumiinil) on tõenäoliselt kõrgem stabiilsus hüdrogeeli võrgustruktuuris, mis põhjustab madalama vabanemiskontsentratsiooni, võrreldes hüdrofiilse ravimi (aloiini) juhtumiga samal ajavahemikul. . Erinevuse edasiseks selgitamiseks pöördume kopolümeeril põhineva mitsellide struktuuri arutamise poole. Vesilahuses moodustunud mitsellaari tuuma ja kesta struktuur koosneb kesta hüdrofiilsetest mPEG plokkidest ja tuumana hüdrofoobsetest PCL plokkidest. Selle tulemusel peaks hüdrofiilne ravim paiknema ümbrise kohal, samal ajal kui hüdrofoobne ravim juhitakse hõlpsalt südamikku 50 . Seetõttu saab hüdrofoobset ravimit vesipuhvri tingimustes paremini stabiliseerida.

Tsütotoksilisus on biomaterjalide üks olulisemaid omadusi, seetõttu uurime täiendavalt meie valmistatud kopolümeeripõhiste biomaterjalide, mis sisaldavad GO-d, tsütotoksilisust, hoolimata asjaolust, et meie varasemad uuringud on näidanud, et puhas kopolümeer mPEG-PCL-mPEG näitab põhimõtteliselt mittetsütotoksilisus 7 . Rahuldav on ka tõdemus, et GO lisamine kopolümeerisse võib kopolümeeri tsütotoksilisust vaid tühiselt muuta tetrasooliumipõhiste kolorimeetriliste (MTT) ja laktaatdehüdrogenaasi (LDH) testide põhjal. Täpsemalt, nagu on näidatud SI joonisel S17 (a), näitab positiivne kontroll raku elujõulisuse kõige madalamat protsenti, negatiivne kontroll aga kõige suuremat. Pange tähele ka seda, et kopolümeeripõhistel proovidel on väga madal toksilisus rakkudele, pigem negatiivse kontrolli lähedal, ehkki rohkem lisatud GO-d võib puhta kopolümeeriga võrreldes piiratud määral suurendada tsütotoksilisust. Seoses LDH-analüüsiga (SI joonis S17 (b)) on raku membraani kahjustuse põhjustajaks kõrge LDH vabanemine. Nagu arvata võis, näitab positiivne kontroll kõrgeimat LDH vabanemist, suuresti kooskõlas MTT testi tulemustega. Muud proovid, sealhulgas negatiivne kontroll, puhas kopolümeer, 0, 2GO ja 2, 0GO, avaldavad LDH vabanemisele väga piiratud mõju, vaatamata asjaolule, et GO lisamine võib kopolümeeri suhtes põhjustada tsütotoksilisuse väikest suurenemist. Järelikult näitavad kombineeritud MTT ja LDH testide tulemused, et meie valmistatud kopolümeer ja selle kompositsioonid GO-ga on põhimõtteliselt mittetsütotoksilised.

Arutelu

GO-ga täidetud kopolümeeril põhineva füüsikalise geeli, mis reageerib madala intensiivsusega UV-kiirgusele 365 nm juures, kõrget tundlikkust võib oletada järgmiste aspektidena: (1) GO erakordsed fototermilised omadused, näiteks tugev 365 nm UV-kiirgus neeldumisomadused, tagavad kopolümeeri reageerimise UV-kiirgusele; (2) kopolümeeril põhinevate mitsellide ja GO-lehtede tugev koostoime võimaldab GO tekitatud fototermilise efekti tõhusalt üle kanda termosensitiivsele kopolümeerile; (3) Suure tõenäosusega avaldavad GO-lehed mitsellidele silda, kiirendades mitsellide liitmist ja sellest tulenevat geelistumist ning (4) uue GO-lehtedest valmistatud võrgustruktuuri kasutuselevõtt kopolümeeril põhinevad mitsellid sensibiliseerivad mitsellide agregatsioonil põhinevat gelatsiooni.

GO-indutseeritud mikrokanalite moodustumise mehhanismi arutatakse järgmiste kaalutlustena: (i) GO suur pindala paneb mikrokanali aluse; (ii) GO-pindade rikkalike funktsionaalrühmade tõttu on GO-lehtedel tugev mPEG-PCL-mPEG-kopolümeeril põhinevate mitsellidega interaktsioon, mis häirib mitsellaaride korrapärast pakendamist (tavaline mitsellide pakkimine annab niiviisi saadud puhta kopolümeeri ühtlased mikroporud) geelipõhine proov; vt joonis 4); (iii) kopolümeeril põhinevad mitsellid pakendatakse mööda GO lehti, mis põhjustab mikrokanalite moodustumist. Arvestades ravimi vabanemise GO-võimaldatud kiirendamist, võib peamiseks põhjuseks pidada mikrokanalite juhtivat toimet, mida on ka kirjanduses 22, 23, 24, 41 esitatud .

GO-ga sisaldavate käesolevate amfifiilsete kopolümeeril põhinevate nanokomposiitide unikaalseid omadusi ja eeliseid arutatakse järgmiselt: (i) nanokomposiitide valmistamine on hõlpsasti teostatav hõlpsa vesilahuse meetodi abil tänu GO põnevatele lahuseomadustele; (ii) GO vähene sisseviimine (antud juhul 0, 2 massiprotsenti) võib amfifiilset kopolümeeri ülitundlikuks muuta, saavutades madala intensiivsusega ultraviolettvalguse toimel toimuva sooli-geeli ülemineku, mida pole võimalik saavutada GO puudumisel; (iii) GO lisamisel, isegi suure sisalduse korral (antud juhul 2, 0 massiprotsenti), on kopolümeeri (valmistatud puhas kopolümeer ja selle nanokomposiidid GO-ga nii kõrgemal kui ka kõrgemal nanokomposiidil mittetsütotoksilisusele) tühine mõju madalam sisaldus, põhimõtteliselt, mittetsütotoksiline); (iv) GO võib indutseerida oluliste mikrokanalite moodustumist amfifiilsetes kopolümeeripõhistes komposiitgeelides, mis vähendab ravimimolekulide difusioonibarjääri ja kiirendab mikrokanalit juhtiva toime tagajärjel ravimi pidevat vabanemist ja (v) ) GO-ga ühendatud amfifiilse kopolümeeride süsteemil on suur potentsiaal parendatud fototermilise ravi ja keemiaravi saavutamiseks vähi- ja muude haiguste raviks tänu grafeeni keemiale (näiteks märkimisväärsed fototermilised omadused) ja amfifiilsele kopolümeeril põhinevale sool-geelile suurendatud tundlikkusega üleminek.

Kokkuvõtlikult on valmistatud GO-ga ülitundlikud, mittetsütotoksilised mPEG-PCL-mPEG-põhised nanokomposiidid, millel on kõrge sooli-geeli üleminekutundlikkus madala intensiivsusega UV-valguse suhtes. UV-geelis moodustuvad olulised mikrokanalid, mis võimaldavad ravimi püsiva vabanemise kiirust suurendada, vähendades ravimi molekulide difusioonibarjääri. Käesolev uuring sillutab teed mitmesuguste amfifiilsete kopolümeeridel põhinevate komposiitide / nanokomposiitide valmistamiseks, mis sisaldavad mitmekesiseid valgustundlikke materjale, mis näitab potentsiaali paremaks fototermiliseks ja keemiaravi võimaldamiseks biomeditsiini valdkonnas.

Meetodid

Materjalid

Tinavaikne oktaan (Sn (oktoober) 2 ), mPEG (arvkeskmine molaarmass (Mn) 550), ε-kaprolaktoon (ε-CL), heksametüleendisotsüanaat (HMDI), kurkumiin ja aloiin ​​osteti firmast Sigma-Aldrich ja neid kasutati ilma täiendava puhastamiseta. Kõiki teisi reagente kasutati saadud kujul, kuni pole öeldud teisiti.

Puhta kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG süntees

Tavaliselt lisati kuiva lämmastiku atmosfääris temperatuuril 130 ° C reaktsioonianumasse 0, 1 mol e-kaprolaktooni (ε-CL), 0, 01 mol mPEG-d ja 0, 3 massiprotsenti tina-oktaati (Sn (oktoober) 2 ). Temperatuuril 12 tundi ja seejärel jahutati temperatuurini 80 ° C. Seejärel lisati 0, 01 mol heksametüleendisotsüanaati (HMDI) ja saadud segu segati temperatuuril 80 ° C 3 tundi, seejärel degaseeriti vaakumis 1 tund. Lõpuks saadi saadud kopolümeer pärast jahutamist toatemperatuurini (25 ° C). Sünteesitud kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG arvutatud keskmine molekulmass on esitatud SI tabelis S1.

Puhta kopolümeeril põhineva hüdrosooli ja termogeeli valmistamine

Sünteesitud kopolümeer lisati deioniseeritud (DI) vette, moodustades kopolümeeri lahuse kontsentratsiooniga 20 massiprotsenti. Seejärel segati segu tugevasti mehaaniliselt temperatuuril 60–70 ° C, mille tulemuseks oli valge piimjas viskoosne vedelik. Järgmisena pandi reaktsioonianum polümeerilahuse jahutamiseks jäävanni, saades lõpliku läbipaistva polümeersooli. Puhta kopolümeeril põhineva termogeeli valmistamiseks töödeldi ettevalmistatud sooli termiliselt kehatemperatuuril, et kutsuda esile sooli-geeli üleminek.

GO-kopolümeeri komposiitsoolide valmistamine

GO valmistati Hummeri meetodi modifitseeritud versiooniga, nagu mujal on kirjeldatud 32, 39 . Kaks vesidispersiooni GO kontsentratsiooniga 0, 2 ja 2, 0 massiprotsenti valmistati kõigepealt 1-tunnise ultrahelitöötlusega (150 W). Pärast seda lisati sünteesitud kopolümeer GO dispersioonidele (GO ja kopolümeeri massisuhteid hoiti vahemikus 0, 2 / 20 ja 2, 0 / 20, kopolümeeri kontsentratsioon oli fikseeritud 20 massiprotsenti). Seejärel segati segu intensiivselt temperatuuril 60–70 ° C. Seejärel viidi reaktsioonianum dispersiooni jahutamiseks jäävanni ja lõpuks saadi erineva kaaluga GO sool.

GO-kopolümeeri komposiitsoolide ultraviolettvalguse toimel üleminek sooli-geeli

Valmistatud komposiitsool antud koguses pandi klaasist torusse, mis seejärel asetati UV-lambi kasti (kasutatud lambi kiirguslainepikkus oli 365 nm). Klaastorus oleva sooli pinnale jõudva ultraviolettvalguse intensiivsuseks UVA-valguse intensiivsuse detektoriga määrati 0, 8 mW / cm2. Pärast 10-minutist kiiritamist lülitati valgus välja ja geeli moodustumine registreeriti katseklaasi ümberpööramise meetodil. Valmistatud liithüdrogeelid märgistati kui 0, 2GO (GO / kopolümeer: ​​0, 2 / 20) ja 2, 0GO (GO / kopolümeer: ​​2, 0 / 20). Vastavad kuivatatud geeliproovid valmistati 24 tunni jooksul lüofiliseerimise teel, mida kasutati järgmiste erinevate iseloomustusmõõtmiste jaoks. Võrdluseks - kiiritati puhast kopolümeersooli ka ultraviolettvalguses samades ülalkirjeldatud tingimustes.

Iseloomustus

FT-IR spektrid registreeriti Perkin Elmer Paragon 1000 infrapunaspektroskoobis, kasutades nõrgestatud summaarse peegelduse (ATR) režiimi skaneerimise ulatusega 4000–650 cm –1 . ' H-TMR spekter eraldati Varian Unity Inova 500 NB NMR-spektromeetril, kasutades lahustina CDCI3. DSC viidi läbi diferentsiaalse skaneeriva kalorimeetriga PerkinElmer DSC 8000. Skaneerivat elektronmikroskoopiat (SEM, TM3000 Tabletop Microscope, Hitachi) kasutati puhta plokk-kopolümeeri hüdrogeeli mikroskoopiliste morfoloogiate ja 0, 2GO ja 2, 0GO komposiit-hüdrogeelide mikroskoopiliste morfoloogiate jälgimiseks. SEM vaatluseks kasutatud proovid valmistati niiskete hüdrogeelide eelkülmutamisel vedelas lämmastikus ja lüofiliseerimisel 24 tundi. Enne SEM vaatlust piserdati lüofiliseeritud proovi pinnale õhuke kuldkile. UV / vis spektrid registreeriti Lambda 18 UV / vis spektromeetril. Valmistatud kopolümeeri mPEG-PCL-mPEG makromolekulaarmassi ja makromolekulmassi jaotuse määramiseks kasutati Waters 1515 geeli permeatsioonikromatograafiat (GPC, Waters Co., Milford, USA).

In vitro naha toksilisuse test

Hüdrogeeli proovi toksiline mõju nahale määrati MTT ja LDH testidega, positiivse kontrollina kasutati 5% (mass / maht) naatriumdodetsüülsulfonaati ja negatiivse kontrollina töötlemata naha sisestust.

Epidermi kultuur

Inimese normaalse epidermise jäljendamiseks kasutati müügilolevat inimese epidermisekvivalenti, see tähendab epidermi (EPI-200, MatTek Corporation, Ashland, MA, USA). Need epidermikultuurid koosnesid inimesest saadud epidermise keratinotsüütidest, mida kultiveeriti õhu ja vedeliku liidesel seisvatel rakukultuuri insertidel (Millipore, Billerica, MA, USA), et moodustada inimese epidermise mitmekihiline ja diferentseeritud mudel. Epidermise kultuurid pandi 6 süvendiga plaatidele ja seejärel eelkonditsioneeriti öö läbi temperatuuril 37 ° C 5% C02 atmosfääris. Testitavad proovid lisati järgmisel päeval naha sisedetailidesse ja lasti inkubeeruda 1 tund. Seejärel viidi kõik naha insertid värskesse söötmesse tsütokiinide vabastamiseks söötmesse 24 tunni jooksul. Sööde eraldati ja hoiti LDH testi jaoks temperatuuril -80 ° C. Seejärel viidi kõik naha sisetükid MTT testi jaoks värsketele plaatidele.

LDH test - rakumembraani terviklikkuse test

Epidermikultuuride rakumembraani terviklikkust (või rakukahjustusi) mõõdeti kolorimeetrilise LDH testiga (LDH tsütotoksilisuse tuvastamise komplekt, Takara Bio Inc., Otsu, Shiga, Jaapan). Selle analüüsi abil mõõdetakse membraani terviklikkust sõltuvalt söötmesse eralduva tsütoplasmaatilise LDH kogusest. Lühidalt, analüüsisegu valmistati, segades ühe osa LDH testkatalüsaatorist 45 osa värvilahustega. Kõigi kultuuride jaoks lisati proovisegu söötmele võrdsetes osades. Pärast 30-minutist inkubeerimist toatemperatuuril pimedates tingimustes peatati värvimisreaktsioon HCl-ga (1, 0 M). Selles testis kasutati kontrollina tavalist söödet. Neeldumine ja taustkorrektsioon viidi läbi lainepikkusel 490 nm. Rakumembraani terviklikkust väljendati vabanenud LDH koguse (ravi kohta) ja positiivsest kontrollist vabanenud LDH maksimaalse koguse suhtena.

MTT test - raku elujõulisuse test

Nahaümbrised viidi eeltäidetud MTT lahusega värsketele plaatidele (MTT lahustati fosfaatpuhverdatud soolalahuses (PBS) kontsentratsioonis 5 mg / ml ja filtriti, et steriliseerida ja eemaldada väike kogus lahustumatut jääki, mis sisaldub mõnes MTT partiis). ja lasti inkubeerida temperatuuril 37 ° C 5% C02 atmosfääris 3 tundi. Pärast inkubeerimist olid kõik MTT lahused eemaldatud. Nahast vahetükid viidi värsketesse plaatidesse ja enne sisestust 96 süvendiga plaatidele spektrofotomeetriliseks analüüsimiseks lainepikkusel 550 nm lisati igasse sisestusse 2 tunni jooksul isopropanool. Tsütotoksilisust väljendati rakkude elujõulisuse (töötlemise kohta) ja raku maksimaalse elujõulisuse suhtena, mis arvutati negatiivse kontrolli põhjal.

Ravimi vabanemise käitumise uuring in vitro

Kontrollitud ravimi vabanemise uuringus valiti vastavalt hüdrofiilseteks ja hüdrofoobseteks ravimravimiteks siseosa ja kurkumiin. Hüdrofiilse ravimi (aloiini) korral sukeldati aloiiniga (0, 1 massiprotsenti) hüdrogeelid 20 ml PBS (pH 7, 4 või pH 5) lahusesse ja inkubeeriti temperatuuril 35 ± 2 ° C. loksutades veevanni kiirusel 50 p / min konkreetsete ajavahemike järel (1, 2, 4, 8, 12, 24, 48, 72, 96, 120 h). Ravimi vabastamise puhverlahus eemaldati ettevaatlikult, filtriti läbi filterpaberi ja filtraati analüüsiti UV-vis-spektrofotomeetriga. Aloiini eraldumise käitumise jälgimiseks kasutati iseloomulikku ultraviolett- / viski neeldumist lainepikkusel λmax = 291 nm. Seejärel arvutati kogunenud ravimi vabanemine. Katse viidi läbi kolmes eksemplaris, kusjuures standardhälve arvutati ravimi vabanemisprofiili vearibana. Pärast teatud ajavahemiku pikkust testi viidi saadud filtraat ja jääk tagasi ravimi pideva vabanemisega lahusesse, et hoida ravimi vabanemise süsteem ühtlasena. Akumuleerunud eraldumise arvutus on esitatud järgmise võrrandina.

Image

kus M t on hüdrogeelist ajal t vabanev ravimi kogus ja M 0 on hüdrogeeli laaditud ravimi esialgne kogus.

Mis puudutab hüdrofoobset ravimit, nimelt kurkumiini, siis kirjeldati ravimi pideva vabanemise testi protseduure järgmiselt: etteantud kogus kurkumiini (0, 1 massiprotsenti) - laaditud hüdrogeel kaeti klaasilehele pärast sool-geeli üleminek. Seejärel sukeldati kaetud klaasplekk 20 ml PBS-i (pH 7, 4) lahusesse, mida segati seejärel mehaaniliselt kiirusel 50 p / min ja temperatuuril 35 ± 2 ° C. Konkreetsete ajavahemike järel, nimelt 1, 2, 4, 8, 12, 24, 48, 72, 96 ja 120 h, võeti alikvoodid pipetiga, millele järgnes filtrimine läbi filterpaberi. Seejärel analüüsiti saadud filtraati UV-vis-spektrofotomeetriga ja kurkumiini eraldumise käitumise jälgimiseks kasutati iseloomulikku UV / vis-absorptsiooni lainepikkusel λmax = 426 nm. Seejärel arvutati kogunenud ravimi vabanemine. Tulemused esitati kumulatiivse vabanemisena vabanemisaja funktsioonina ja eksperiment viidi läbi kolmes korduses.

Lisainformatsioon

Kuidas seda artiklit tsiteerida : Hu, H. jt . Grafeenoksiidiga parandatud sooli-geeli üleminekutundlikkus ja amfifiilse kopolümeeril põhineva nanokomposiidi toimeaine vabanemine. Sci. Rep. 6, 31815; doi: 10.1038 / srep31815 (2016).

Täiendav teave

PDF-failid

  1. 1

    Täiendav teave

Kommentaarid

Kommentaari esitamisega nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi kuritahtlikku või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.