Nanokapsle - Nanocapsule

A nanokapsle je obal v nanoměřítku vyrobený z netoxického polymer. Jsou to vezikulární systémy vyrobené z polymerní membrány, která zapouzdřuje vnitřní tekuté jádro v nanoměřítku. Nanokapsle mají mnoho využití, včetně slibných lékařských aplikací pro podávání léků, vylepšení potravin, nutraceutik a pro samoléčivé materiály. Výhodou metod zapouzdření je ochrana těchto látek, ochrana v nepříznivém prostředí, řízené uvolňování a přesné cílení.[1] Nanokapsle lze potenciálně použít jako naváděcí na MRI nanoroboty nebo nanoboti, ačkoli výzvy přetrvávají.[2]

IUPAC definice
Dutý nanočástice složený z pevné skořápky, která obklopuje jádro tvořící
prostor k zachycení látek.[3]

Struktura

Typická velikost nanokapsle používané pro různé aplikace se pohybuje od 10 do 1000 nm. V závislosti na přípravě a použití nanokapsle však bude její velikost konkrétnější.[4]

Struktura nanokapslí se skládá z nanovesikulárního systému, který je vytvořen v uspořádání jádro-skořápka. Plášť typické nanokapsle je vyroben z polymerní membrány nebo potahu. Typ použitých polymerů je biologicky odbouratelný polyester, protože nanokapsle se často používají v biologických systémech. Poly-e-kaprolakton (PCL), poly (laktid) (PLA) a poly (laktid-ko-glikolid) (PLGA) jsou typické polymery používané při tvorbě nanokapslí.[5] Mezi další polymery patří thiolovaná poly (kyselina methakrylová) a poly (N-vinylpyrrolidon).[6] Protože se syntetické polymery ukázaly být čistší a reprodukovatelnější ve srovnání s přirozeně se vyskytujícími polymery, jsou často výhodné pro konstrukci nanokapslí. Některé přirozeně se vyskytující polymery, jako např chitosan, želatina, alginát sodný, a albumin se používají v některých nanokapslích dodávajících léčiva.[4] Mezi další skořápky nanokapslí patří liposomy,[7] spolu s polysacharidy a sacharidy. Polysacharidy a sacharidy se používají kvůli jejich netoxičnosti a biologické rozložitelnosti. Jsou atraktivní pro použití, protože připomínají biologické membrány.[8]

Jádro nanokapsle se skládá z ropného povrchově aktivního činidla, které je specificky vybráno pro koordinaci s vybraným léčivem v polymerní membráně. Použitý specifický olej musí být vysoce rozpustný s léčivem a při použití v biologickém prostředí netoxický. Emulze oleje a léčiva musí mít nízkou rozpustnost s polymerní membránou, aby bylo zajištěno, že léčivo bude správně přenášeno systémem a uvolňováno ve správný čas a místo. Když se získá správná emulze, měl by být lék rovnoměrně rozptýlen po celé vnitřní dutině polymerní membrány.[4]

zpracovává se

Metoda zapouzdření závisí na požadavcích na danou drogu nebo látku. Tyto procesy závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech materiálu jádra, materiálu stěn a požadované velikosti.[1] Nejběžnější způsoby výroby nanokapslí jsou nanoprecipitace,[9] emulze-difúze a odpařování rozpouštědla.

V nanoprecipitační metodě, nazývané také metoda vytěsňování rozpouštědla, se nanokapsle vytvářejí vytvořením koloidní suspenze mezi dvěma samostatnými fázemi. Organická fáze sestává z roztoku a směsi organických rozpouštědel. Vodná fáze sestává ze směsi nerozpouštědel, která tvoří povrchový film. Organická fáze se pomalu vstřikuje do vodné fáze, která se potom míchá za vzniku koloidní suspenze. Jakmile se vytvoří koloidní suspenze, bude se míchat, dokud se nezačnou tvořit nanokapsle. Velikost a tvar nanokapsle závisí na rychlosti vstřikování spolu s rychlostí míchání.[5]

Dalším běžným způsobem přípravy nanokapslí je metoda emulzní difúze. Tato metoda se skládá ze tří fází: organické, vodné a ředicí fáze. Při tomto způsobu se organická fáze přidává k vodné fázi za podmínek vysokého míchání, které vytvářejí emulzi. Během tohoto procesu se do emulze přidává voda, což způsobuje difúzi rozpouštědla. Výsledkem této emulzní difúze je tvorba nanokapslí.[5]

Další účinnou metodou pro přípravu nanokapslí je odpařování rozpouštědla. V tomto procesu se jednoduché nebo dvojité emulze vytvářejí z rozpouštědel a používají se k formulaci suspenze nanočástic. Vysoká rychlost homogenizace nebo se k vytvoření malé velikosti částic v suspenzi nanočástic používá ultrazvuk. Jakmile je suspenze stabilní, rozpouštědla se odpaří buď kontinuálním magnetickým mícháním při teplotě místnosti, nebo snížením tlaku okolí.[4]

Tabulka níže ukazuje, jak nanokapsle vykazují různé vlastnosti na základě metody, kterou byly připraveny. Typy nanokapslí se liší podle velikosti, koncentrace léčiva a doby uvolňování účinné látky.[Citace je zapotřebí ]

Průměrná velikost (nm)[pochybný – diskutovat]Koncentrace léčiva ve zředěné disperzi (mg / ml)[5]Koncentrace léčiva v koncentrované disperzi (mg / ml)[5]Doba uvolňování účinné látky (90%) (min)[5]
Nanoprecipitace2500.002–0.090.15–6.5750
Emulze-difúze425~0.25060
Dvojitá emulgace4002–520–5045
Emulgační koacervace300~0.2412>2000

Problémy se zpracováním a řešení

Nanokapsle mají tendenci se agregovat a stát se nestabilními. Látky v kapslích tedy mohou unikat. Pro kontrolu nestability mohou být nanokapsle vysušeny sušení rozprašováním nebo vymrazování (lyofilizace[10]).[1]

Sušení rozprašováním - Roztoky se nastříkají do sušicího média. Tato metoda se častěji používá v potravinářském průmyslu a používá se k zapouzdření mnoha potravinářských výrobků, jako jsou příchutě, minerály, barviva a vitamíny. Tato metoda zvyšuje stabilitu nanokapslí a zvyšuje trvanlivost potravin.[1]

Lyofilizace - Tento proces zahrnuje dehydrataci materiálů, které jsou citlivé na teplo. Na rozdíl od sprejového sušení se voda odstraňuje skrz sublimace proces beze změny struktury nebo tvaru nanočástic. Lyofilizace zahrnuje čtyři stavy: zmrazení, primární sušení, sekundární sušení a skladování. Kvůli více zapojeným fázím se tato metoda považuje za požadující více energie a času.[1]

Vlastnosti

Vstřebatelnost

Poměr stran ovlivňuje schopnost nanokapsle pronikat do nádorových buněk. Nízké poměry stran (sférické tobolky) mají tendenci pronikat buňkami snadněji než vysoké poměry stran (tobolky ve tvaru tyče).[6]

Struktura

Struktura nanokapslí o velikosti nano umožňuje prostupování bazálními membránami, což z nich činí účinné nosiče léků v biologických systémech. Specifické zpracování nanokapslí jim dává jedinečné vlastnosti v tom, jak v určitých situacích uvolňují léky. Obecně existují tři fyzikálně-chemické uvolňovací mechanismy, které se používají k uvolňování léčiva nebo léčiva z polymerního obalu nanokapsle.[4]

dodávka

  1. Hydratace a difúze - V tomto mechanismu uvolňování nanokapsle bobtná v důsledku účinků hydratace. Jakmile nanokapsle nabobtná do bodu, kde se táhne, umožní polymerní membrána difúzi léčiva polymerní membránou a do biologického systému.[4]
  2. Enzymatická reakce - Polymerní obal musí být nejprve vybrán tak, aby koordinoval s enzymy produkovanými lidským tělem a enzymatickou reakcí. Tato reakce způsobí prasknutí polymerní membrány, což umožňuje dispergaci léčiva do systému.[4]
  3. Disociace léku - Lék se disociuje z nabobtnalé nanokapsle a difunduje do zbytku buňky.[4]
Další způsoby dodání: dodávka látky pro lékařské použití

Blízké infračervené světlo: Uvolňování léčiva se spouští z tepla. Infračervená technologie může být absorbována hluboko v těle a přeměněna na teplo. Materiál citlivý na teplo, zejména polymerní obal, který po zahřátí nabobtná, se zhroutí. Uvolňování drogy je způsobeno deflací.[7]

Magnetická pole: Magnetické tyče v milimetrovém měřítku jsou zality v poly (vinylalkoholu). Magnetické pole uvnitř tyčí se střídá, což má za následek změnu tvaru a konečné zhroucení nanokapslí. Změna struktury pak spouští uvolňování léku.[7]

Ultrazvuk: Další možností uvolnění léčiva je ultrazvuk, což je „podélná tlaková vlna“.[7] Ultrazvuk může být buď nízkofrekvenční, nebo LFUS (mezi ~ 20 a ~ 100 kHz) nebo vysokofrekvenční, HFUS, (> 1 MHz). Transdermální podání (sonoforéza ) je vylepšen prostřednictvím LFUS, který pak dále umožňuje uvolňování léčiva. Vzhledem k tomu, že vlna HFUS je vyšší, byla prokázána úspěšnost podávání léku formou bublin. Bubliny v kapsli se tvoří a zhroutí kvůli vyšším teplotám vlny.[7]

Některé další způsoby zahrnují orální, což je nejaktivnější, nazální, transdermální a přes plíce. Ústní je nejběžnější a nejnáročnější. Požadavky na konzistentní uvolňování přetrvávají, i když jsou vyvíjeny snahy o biologickou adhezi střevního traktu. U nosního porodu se také uvažuje o bioadhezi, která má prodloužit životnost léčiva v nose. Léky lze také přenášet přes kůži (transdermálně). Zajímavé jsou také inhalátory, protože například léky na astma sestávají z makromolekul. V současné době jsou inhalační systémy pro pacienty nežádoucí a doufá se, že v tomto zaváděcím systému někdy dojde k pokroku.[7]

Aplikace

Rakovina

Vytvářejí se ve vodě rozpustné polymerní skořápky, které dodávají protein, apoptin,[11] do rakovinných buněk. Protein jde do jádra rakovinných buněk a přitom ponechává zdravé buňky samotné, na rozdíl od jiných konvenčních terapií, jako jsou genové terapie a chemoterapie.[12] Tobolky mají velikost 100 nm.[12]

Rovněž se zkoumá aktivní cílení na rakovinné buňky. Prostřednictvím aktivního cílení se tvoří nanokapsle ligandy které se vážou na maligní buňky pro dodávání buněk. Tato metoda je obzvláště výhodná pro ty léky, které nejsou tak propustné přes buněčnou membránu a kde jsou tkáně nemocné, jsou nanočástice schopny snadněji se spojit s maligními buňkami.[7]

Využití jídla

Nanoenkapulace v potravinách zahrnuje změnu textur, látek určených k aromatizaci, barviv a stálosti skladovatelnost.[1]

Nutraceutika

Nutraceutika jsou látky, které jsou umístěny v potravinách za účelem zlepšení výživy. Zvýšená biologická dostupnost těchto látek je relativní k velikosti nanonosiče. Čím menší je nanonosič, tím lepší jsou dodací vlastnosti a rozpustnost nutraceutik; nanonosič je schopen vstoupit do krve snadněji, pokud je menší.[1]

Pro zapouzdření nutraceutik se používají lipidy nebo polymery (přirozeně biologicky odbouratelné). Typy použitých polymerů zahrnují kolagen, želatinu a albumin.[1]

Absorpce ethylalkoholu

Relativně nový výzkum zahrnuje zapouzdření trávicích enzymů v netoxickém polymerním obalu. U laboratorních myší bylo prokázáno, že nanostruktura naplněná enzymy absorbuje ethylalkohol z krevního řečiště, což má za následek snížení hladiny alkoholu v krvi. Byl učiněn závěr, že částice působí jako organely, což navrhuje další výhody pro enzymové terapie. Tento objev zavádí další studie, například metody zapouzdření pro vypadávání vlasů.[13]

Samoléčivé materiály

Pro materiály, jako jsou součásti v mikroelektronika, polymerní povlaky a lepidla, nanokapsle mohou snížit poškození způsobená vysokým zatížením. Hojení trhlin v těchto materiálech je zmírněno dispergováním nanokapslí v polymeru. Mezi léčivé látky patří dicyklopentadien (DCPD), který se připravuje na místě v materiálu pomocí ultrazvuku. Nanoenkapsulovaný materiál se nejprve emulguje v hostitelském materiálu vytvořením samoléčebného epoxidu olej ve vodě. Emulgovaný materiál se poté v hostitelském materiálu míchá za vzniku částic, které se potom váží na hostitelský materiál.[14]

Obavy z použití

Od roku 2016, není známo, jaké jsou dopady materiálů o velikosti nano na lidské zdraví a životní prostředí. Účinky může potvrdit pouze chemické riziko a posouzení toxických účinků v průběhu času. Opatření pro testování jsou v současné době nedostatečná a schválení používání nanočástic, zejména v potravinách, je nejednoznačné.[1]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i Ezhilarasi, P. N .; Karthik, P .; Chhanwal, N .; Anandharamakrishnan, C. (2012). „Nanoenkapsulační techniky pro potravinářské bioaktivní složky: recenze“. Technologie potravin a bioprocesů. 6 (3): 628–47. doi:10.1007 / s11947-012-0944-0.
  2. ^ Vartholomeos, P .; Fruchard, M .; Ferreira, A .; Mavroidis, C. (2011). „Nanorobotické systémy řízené MRI pro terapeutické a diagnostické aplikace“. Annu Rev Biomed Eng. 13: 157–84. doi:10.1146 / annurev-bioeng-071910-124724. PMID  21529162.
  3. ^ Vert, Michel; Doi, Yoshiharu; Hellwich, Karl-Heinz; Hess, Michael; Hodge, Philip; Kubisa, Przemyslaw; Rinaudo, Marguerite; Schué, François (2012). „Terminologie pro biologicky související polymery a aplikace (doporučení IUPAC 2012)“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 84 (2): 377–410. doi:10.1351 / PAC-REC-10-12-04.
  4. ^ A b C d E F G h Nagavarma, B V N; Yadav, Hemant KS; Ayaz, A; Vasudha, LS; Shivakumar, H G (2012). „Různé techniky pro přípravu polymerních nanočástic - recenze“ (PDF). Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research. 5 (Suppl 3): 16–23.
  5. ^ A b C d E F Mora-Huertas, C.E .; Fessi, H .; Elaissari, A. (2010). "Nanokapsle na bázi polymeru pro dodávání léků". International Journal of Pharmaceutics. 385 (1–2): 113–42. doi:10.1016 / j.ijpharm.2009.10.018. PMID  19825408.
  6. ^ A b Shimoni, Olga; Yan, Yan; Wang, Yajun; Caruso, Frank (2013). "Tvarově závislé buněčné zpracování kapslí z polyelektrolytu". ACS Nano. 7 (1): 522–30. doi:10.1021 / nn3046117. PMID  23234433. Shrnutí ležel – Nanotechweb.org (21. prosince 2012).
  7. ^ A b C d E F G Timko, Brian P .; Whitehead, Kathryn; Gao, Weiwei; Kohane, Daniel S .; Farokhzad, Omid; Anderson, Daniel; Langer, Robert (2011). „Pokroky v dodávce drog“. Roční přehled materiálového výzkumu. 41: 1–20. Bibcode:2011AnRMS..41 .... 1T. doi:10.1146 / annurev-matsci-062910-100359.
  8. ^ Long, Li-xia; Yuan, Xu-bo; Chang, Jiang; Zhang, Zhi-hua; Gu, Ming-qi; Song, Tian-Tian; Xing, Ying; Yuan, Xiao-yan; et al. (2012). „Vlastní sestavení kyseliny polymléčné a dextranu modifikovaného cholesterolem do dutých nanokapslí“. Sacharidové polymery. 87 (4): 2630–7. doi:10.1016 / j.carbpol.2011.11.032.
  9. ^ http://www.nanodic.com/Nanofabrication/Nanoprecipitation.htm[úplná citace nutná ]
  10. ^ http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/LYO/[úplná citace nutná ]
  11. ^ Pietersen, Alexandra; Noteborn, Mathieu H. M. (2000). „Apoptin“. Rakovinová genová terapie: minulé úspěchy a budoucí výzvy. Pokroky v experimentální medicíně a biologii. 465. str. 153–61. doi:10.1007/0-306-46817-4_14. ISBN  978-0-306-46817-9. PMID  10810623.
  12. ^ A b Zhao, Muxun; Hu, Biliang; Gu, Zhen; Joo, Kye-Il; Wang, Pin; Tang, Yi (2013). „Rozložitelná polymerní nanokapsle pro účinné intracelulární dodávání komplexu proteinů s vysokou molekulovou hmotností pro selektivitu na nádory“. Nano dnes. 8: 11–20. doi:10.1016 / j.nantod.2012.12.003. Shrnutí ležel – SciTech denně (7. února 2013).
  13. ^ Liu, Yang; Du, Juanjuan; Yan, Ming; Lau, Mo Yin; Hu, Jay; Han, Hui; Yang, Otto O .; Liang, Sheng; et al. (2013). „Biomimetický enzym nanokomplexy a jejich použití jako antidota a preventivní opatření při intoxikaci alkoholem“. Přírodní nanotechnologie. 8 (3): 187–92. Bibcode:2013NatNa ... 8..187L. doi:10.1038 / nnano.2012.264. PMC  3670615. PMID  23416793. Shrnutí ležel – Recenze technologie MIT (17. února 2013).
  14. ^ Blaiszik, B.J .; Sottos, N.R .; White, S.R. (2008). "Nanokapsle pro samoléčivé materiály". Kompozitní věda a technologie. 68 (3–4): 978–86. doi:10.1016 / j.compscitech.2007.07.021.