Summary

Herstellung von vernetzten Natriumalginat-Mikrosphären mit unterschiedlichen Metallionen unter Verwendung der mikrofluidischen Elektrospray-Technologie

Published: June 07, 2024
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Summary

Das Protokoll beschreibt die Herstellung von Natriumalginat-Mikrosphären, die mit verschiedenen Metallionen vernetzt sind, unter Verwendung eines mikrofluidischen Geräts für das Wirkstoffträgerdesign. Untersucht wurden auch die antimikrobiellen Eigenschaften und die langsame Wirkstofffreisetzung dieser Mikrosphären.

Abstract

Mikrosphären sind mikrometergroße Partikel, die Medikamente durch physikalische Verkapselung oder Adsorption auf die Oberfläche und innerhalb von Polymeren laden und allmählich freisetzen können. Im Bereich der Biomedizin wurden Hydrogel-Mikrosphären aufgrund ihrer Fähigkeit, die Häufigkeit der Arzneimittelverabreichung zu reduzieren, Nebenwirkungen zu minimieren und die Compliance der Patienten zu verbessern, umfassend auf ihre Anwendung als Arzneimittelträger untersucht. Natriumalginat (ALG) ist ein natürlich vorkommendes lineares Polysaccharid mit drei glykosidischen Rückgratbindungen. In jeder der Einheiten des Polymers sind zwei Hilfshydroxylgruppen vorhanden, die die Eigenschaften einer Alkoholhydroxyleinheit aufweisen. Die synthetischen ALG-Einheiten können chemische Vernetzungsreaktionen mit Metallionen durchlaufen, wodurch eine vernetzte Netzwerkstruktur aus Polymerstapeln gebildet wird, die schließlich ein Hydrogel bildet. Hydrogel-Mikrosphären können mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden, bei dem die ionischen Vernetzungseigenschaften von ALG genutzt werden. In dieser Studie haben wir ALG-basierte Hydrogel-Mikrosphären (ALGMS) unter Verwendung einer mikrofluidischen Elektroabscheidungsstrategie hergestellt. Die vorbereiteten Hydrogel-Mikrosphären waren gleichmäßig dimensioniert und gut dispergiert, was auf eine genaue Kontrolle des mikrofluidischen Elektrospray-Flusses zurückzuführen ist. ALGMS, die mit verschiedenen Metallionen vernetzt sind, wurden unter Verwendung einer mikrofluidischen Elektrospray-Technik hergestellt, die Mikrofluidik und hohes elektrisches Feld kombiniert, und ihre antimikrobiellen Eigenschaften, ihre langsame Wirkstofffreisetzungsfähigkeit und ihre Biokompatibilität untersucht. Diese Technologie ist vielversprechend für den Einsatz in der fortschrittlichen Arzneimittelentwicklung und -produktion.

Introduction

Drug-Delivery-Systeme sind ein Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet des Bio-Tissue Engineering, der darauf abzielt, die Effizienz und Wirksamkeit der Arzneimittelverabreichung zu verbessern und Nebenwirkungen und Nebenwirkungenzu reduzieren 1. Unter diesen Systemen sind Hydrogel-Mikrosphären, die sich durch gute Biokompatibilität, einstellbare mechanische Eigenschaften und funktionelle Plastizität auszeichnen, eines der am häufigsten verwendeten Vehikel für das Laden und Verabreichen von Medikamenten2. Sie können sowohl für die langsame als auch für die kontrollierte Freisetzung von Arzneimitteln verwendet werden, bieten eine gute Schutzwirkung für Arzneimittel, vermeiden oder minimieren unspezifische Wirkungen von Arzneimitteln in anderen Geweben und zielen auf die Verabreichung von Arzneimitteln an bestimmte Gewebestrukturenab 3. Daher sind Hydrogel-Mikrosphären zu einem neuen und effizienten System zur Verabreichung von Medikamenten geworden, wobei die Forschung auf diesem Gebiet nach und nach entsteht4.

Hydrogel-Mikrosphären werden in der Regel aus biologisch abbaubaren Materialien synthetisiert, darunter Polysaccharide, Proteine und natürliche Polymere5. Unter ihnen ist ALG ein biokompatibles, biologisch abbaubares Polysaccharid, das aus marinen Braunalgen gewonnenwird 6. Seine Molekülkette enthält freie Hydroxyl- und Carboxylgruppen, die mit den meisten zweiwertigen oder mehrwertigen Kationen vernetzen können, um eine wasserunlösliche Hydrogelstruktur mit einem dreidimensionalen Netzwerkzu bilden 5. Die durch ALG gebildeten Hydrogel-Mikrosphären können in neutralen und alkalischen Lösungen in negativ geladene Polyelektrolyte umgewandelt werden. Diese Abstoßung zwischen negativen Ladungen führt dazu, dass die Mikrosphären aufquellen und der verkapselte Wirkstoff oder das Medikament freigesetzt werden kann. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass ALG-Mikrosphären als vielversprechende Wirkstoffträger angesehen werden, die häufig für das Laden von Wirkstoffen und die kontrollierte Freisetzung eingesetzt werden7.

Für die Herstellung von Hydrogel-Mikrosphären existieren verschiedene Methoden. Zu den traditionellen ALGMS-Präparationsmethoden gehören in der Regel die Sol-Gel-Methode oder die Emulsion-Sol-Methode. Diese Verfahren umfassen Schritte wie Fällung, Mitfällung und Gelierungsreaktionen, um die Zielmikrosphären8 zu erhalten. In den letzten Jahren hat sich das mikrofluidische Elektrospray-Verfahren mit der kontinuierlichen Entwicklung der Mikrofluidik-Technologie allmählich zu einer effizienten und präzisen Methode zur Herstellung von Mikrosphärenentwickelt 9. Bei diesem Verfahren wird die mikrofluidische Technologie verwendet, um eine Polymerlösung durch eine mikrofeine Düse elektrozu sprühen, um mikrometergroße Tröpfchen und Mikrokugeln während des anschließenden Aushärtungs- oder Vernetzungsprozesses10 zu bilden. Im Vergleich zur herkömmlichen Methode bietet das mikrofluidische Elektrospray eine präzise Kontrolle der Partikelgröße und -morphologie der Mikrosphären durch Anpassung von Parametern wie Lösungsdurchflussrate, Spannung und feiner Düsengröße11. Es ermöglicht auch die kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsvorbereitung von Mikrosphären, verbessert die Präparationseffizienz und hält milde Reaktionsbedingungen aufrecht. Darüber hinaus können ALGMS so vorbereitet werden, dass sie verschiedene Funktionen besitzen, wie z. B. Medikamente mit kontrollierter Freisetzung und beladene Katalysatoren, was eine einfache Anwendung in verschiedenen Bereichen ermöglicht.

Im Folgenden stellen wir ein Protokoll für die Herstellung von ALG-Mikrosphären mit dem mikrofluidischen Elektrosprayverfahren vor. Bei diesem Verfahren wird eine ALG-Lösung durch ein mikrofluidisches Gerät geleitet und mit Elektrospray besprüht. Die resultierenden Tröpfchen wurden in der Lösung gesammelt, die verschiedene Metallionen (Ca2+, Cu2+, Zn2+ und Fe3+) enthielt, um die Vernetzungsreaktion zu initiieren. Diese Reaktion verbessert die Stabilität und Haftung der Mikrosphären und stattet sie mit unterschiedlichen Funktionalitäten aus. Diese Methode ist einfach durchzuführen, und die synthetisierten Mikrosphären weisen eine gute Größengleichmäßigkeit in ihrer Morphologie auf. Darüber hinaus untersuchten wir ihre antimikrobiellen Eigenschaften, ihre langsame Wirkstofffreisetzungsfähigkeit und ihre Biokompatibilität. Dieses Protokoll wird für die weitere Entwicklung und Produktion von Arzneimitteln nützlich sein.

Protocol

Das in den Experimenten verwendete Blut wurde von weiblichen BALB/c-Mäusen mit Lichtschutzfaktor mit einem Gewicht von 20-25 g und einem Alter von etwa 7 Wochen gewonnen. Die Ethikkommission für Tierversuche des Zhejiang Shuren College genehmigte alle Tierpflege- und Versuchsverfahren. 1. Vorbereitung der Lösung ALG wiegen und in Reinstwasser auflösen, indem man in einem Wasserbad bei 50 °C umrührt, um eine 2%ige ALG-Lösung zu erhalten. Die Massenfra…

Representative Results

Charakterisierung von ALGMS, die mit verschiedenen Metallionen vernetzt sindDie optische Morphologie von Ca-ALGMS, Cu-ALGMS, Zn-ALGMS und Fe-ALGMS ist in Abbildung 2 dargestellt und weist eine gute Sphärizität, eine glatte Oberfläche, eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung (Ergänzende Abbildung 2) und eine ausgezeichnete Monodispersität auf. Darüber hinaus führten wir eine mikroskopische Charakterisierung mit Hilfe der Rasterelektronenmikr…

Discussion

In diesem Protokoll stellen wir eine Methode zur Herstellung von ALGMS vor, die auf der mikrofluidischen Elektrospray-Technologie basiert. Das Verfahren ist einfach zu bedienen und liefert eine große Anzahl von Mikrokugeln mit gleichmäßiger Rundheit und kontrollierbarem Durchmesser. Dieser Ansatz bietet Forschern Komfort und kann die Erforschung und Anwendung von Hydrogel-Mikrosphären fördern. Darüber hinaus wurde durch die Vernetzung mit verschiedenen Metallionen die Stabilität und Bioaktivität des ALGMS verbess…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch ein Forschungsprojekt der Zhejiang Shuren University (2023R053 und 2023KJ237) unterstützt.

Materials

120 mesh screen Solarbio,China YA0946
Alcohol burner Solarbio,China YA2320
BALB/c mice Wukong Biotechnology,China
Bicinchoninic Acid Assay reagent Meilunbio,China MA0082
Bovine Serum Albumin Lablead,China 9048-46-8
CaCl2  powder Aladdin,China 10043-52-4
Calcein-AM/PI Biosharp,China BL130A
Centrifuge tubes Corning,America 430290
CuSO4  powder Jnxinyuehuagong,China 7758-99-8
DMEM Gibicol,China C11995500BT
FeCl3  powder Aladdin,China 7705-08-0
Fetal Bovine Serum HAKATA,China HN-FBS
Glass tubes Sartorius,Germany CC0028
Light microscopy Evidentscientific,Japan BX53(LED)
Microfluidic syringe pump Longerpump,England LSP01-3A
NIH3T3 HyGyte,China TCM-C752
Petri dish Thermofisher,America 150464
Phosphate buffer saline Thermofisher,America 3002
Scanning electron microscope Thermofisher,America Axia ChemiSEM
Sodium alginate powder  Bjbalb,China Y13095
ZnSO4 powder Jnxinyuehuagong,China 7733-02-0

Referenzen

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Diesen Artikel zitieren
Shao, Y., Ye, S., Feng, J., Wang, F., Jin, A., Lei, L., Pan, W. Preparation of Cross-Linked Sodium Alginate Microspheres with Different Metal Ions Using the Microfluidic Electrospray Technology. J. Vis. Exp. (208), e66871, doi:10.3791/66871 (2024).

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