- Kémiailag szintetizált TMC és PEG-HA jellemzése
- Dinamikus viszkozitáselemzés és csőinverziós eredmények (hidrogél készítmények hőre reagáló képletei)
- Rheológiai vizsgálat
- Duzzadási vizsgálat (a hidrogélkészítmények pH-érzékenysége)
- Hidrogél lebomlási vizsgálat mechanikus keverés alatt (mechanikai stabilitási vizsgálat)
- A hidrogél formulációk SEM és TEM vizsgálata
- A hidrogélek SAXS-vizsgálata
- A hidrogélkészítmények zéta-potenciálja
- A hatóanyaggal töltött hidrogélek FTIR-vizsgálata
- Kumulatív felszabadulási vizsgálat
Kémiailag szintetizált TMC és PEG-HA jellemzése
A TMC és a kitozán 1H-NMR spektrumát az ábra mutatja. 2A, ahol a kitozán a H-2 2,68 ppm-nél mutatott csúcsot, és több csúcsot a 3,85-3,55 ppm tartományban a H-3 és H-6 között. A TMC N-trimetilcsoportjának (-NMe3) csúcsát 3,36 ppm-nél észleltük, ami megerősíti az N-metiláció jelenlétét, és kvaternerizált helyekre utal. A TMC egylépéses N-metilálással történő előállítása mellett melléktermékként egy módosított kitozánszármazékot szintetizáltunk NMe2-vel (2,28 ppm).
1H NMR spektrumok kitozán és TMC (A); HA és PEG-HA (B).
Amint a 2B. ábrán látható, a HA a glükozidos H csúcsot 3,21 ppm-nél és az etil H csúcsot 1,89 ppm-nél mutatta. A HA az OMe-PEG2000-NH2-vel való reakciót követően egy etilén H-csúcsot (3,60 ppm) és az OMe-PEG2000-NH2 (-NH-CH2-CH2-O-) H-csúcsot (2,76 ppm) mutatott, ami azt jelzi, hogy a PEG-HA sikeresen képződött amidkapcsolási reakcióval (2B. ábra). A PEG-HA egyéb csúcsai nagyon hasonlóak a HA-éhoz.
A kitozán és a TMC FT-IR spektrumát a 3A. ábra mutatja. A TMC jellegzetes csúcsokat mutatott: O-H/N-H nyújtás (3431 cm-1); C-H nyújtás, piranózgyűrű (2919 cm-1); C=O nyújtás, NH-Ac amid (1654 cm-1); C-H nyújtás, TMC metil (1503 cm-1); C-H hajlítás, CH3CO (1390 cm-1); és C-O-C nyújtás (1158, 1066 cm-1). A 3A. ábrán látható, hogy a kitozán spektrális csúcsai hasonlóak a TMC-éhez. A kitozán O-H/N-H nyújtást mutatott 3421 cm-1-nél, a piranózgyűrű C-H nyújtását 2880 cm-1-nél, az NH-Ac amid C=O nyújtását 1654 cm-1-nél, a CH3CO C-H hajlítását 1390 cm-1-nél, és a C-O-C nyújtást 1155 és 1078 cm-1-nél. A TMC-ben a metilcsoportok C-H kötéseinek 1503 cm-1-nél lévő csúcsa a trimetilcsoportoknak a kitozán amincsoportjaihoz történő addíciójának felel meg.
FTIR spektrumok kitozán és TMC (A); HA és PEG-HA (B).
A 3B. ábrán látható PEG-HA jellegzetes FTIR-csúcsai az O-H nyújtás (3428 cm-1), C-H nyújtás, piranózgyűrű (2892 cm-1), C=O nyújtás, NH-Ac (1644 cm-1) és C-N nyújtás (1473 cm-1). A HA hasonló jellegzetes csúcsokat mutatott, mint a PEG-HA, és a HA spektrális csúcsai az O-H nyújtás (3438 cm-1); C-H nyújtás, piranózgyűrű (2899 cm-1); és C=O nyújtás, NH-Ac (1615 cm-1). A PEG-HA esetében 1473 cm-1-nél talált csúcs a HA és az OMe-PEG2000-NH2 amidkapcsolódását jelzi.
Dinamikus viszkozitáselemzés és csőinverziós eredmények (hidrogél készítmények hőre reagáló képletei)
Ebben a vizsgálatban a készítmények dinamikus viszkozitási értékeit a hőmérséklet függvényében mértük 85 s-1 fix nyírási sebességgel, és a szol fázis gél fázisba történő átalakulását a hőmérséklet függvényében a 4I. ábra mutatja. A PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 gallikusavval töltött hidrogélkészítmények dinamikus viszkozitási értékei (Pa.s) fokozatosan változtak a hőmérséklet növekedésével az 5-50 °C közötti tartományban, és az inflexiós ponttól kezdve mindkét készítmény egyértelműen szol-gél átmenetet mutatott 37 °C-on. Ezenkívül mindkét készítmény PF127-tartalma a hidrogélkészítmények teljes tömegének 13,5 tömegszázalékát tette ki, és mindkét minta 37 °C-os gélképződési hőmérsékletet mutatott. A PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 hidrogélek dinamikus viszkozitási értéke 37 °C-on 7,02 Pa.s, illetve 5,6 Pa.s volt. A PF127/TMC/PEG-HA magasabb dinamikus viszkozitási értéke, mint a PF127-é 37 °C-on, annak köszönhető, hogy a PF127-alapú hidrogélrendszerben TMC és PEG-HA került a PF127-alapú hidrogélrendszerbe, ami a teljes rendszer hidrofób jellegének növelésével fokozott inter-micelláris kölcsönhatásokat hozott létre1. Ezenkívül a PF127/TMC/PEG-HA hidrogél magasabb dinamikus viszkozitási értéke a gélesedés helyén a feszültség alatti deformációval szembeni jobb ellenállásra utalt. Az irodalomban arról számoltak be, hogy a PF127 a gélfázisban (37 °C) nemnewtoni folyadékként viselkedik, és a dinamikus viszkozitási értékek a nyírási sebesség függvényében változnak52. A PF127 a szol-fázisban newtoni folyadékként viselkedett52. Jelen vizsgálatban a szol-fázisban lévő készítmények dinamikus viszkozitási értékei 5 °C-on 0,40 Pa.s és 0,32 Pa.s voltak a PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 esetében, amelyek jó összhangban vannak az irodalomban korábban közölt értékekkel52.
A PF127/TMC/PEG-HA folyékonyságának mérésével a hőmérsékletváltozással járó gélesedés láthatóvá tételére a Tube inverziós módszert alkalmaztuk, és a rendszer 37 °C-on reverzibilis gélesedést mutatott szol-gél átmenettel. A PF127 láncok két másik vegyülettel (TMC és PEG-HA) együtt a hőmérsékletet használják triggerként, és a polimerláncok reverzibilis fizikai összekapcsolódása révén hidrogéleket képeznek53. A hidrogélek a hőhatás megszűnése után visszaalakulnak oldott állapotba. A hőre reagáló polimerek membránok közötti aggregációja a gélesedési hőmérséklet közelében pozitív entrópiaváltozást (ΔS) és negatív aggregációs szabadenergia-változást (ΔG) mutat54. A víz-víz társulások az entrópia növekedését okozzák, amelyet hidrofób hatásnak nevezünk, és amely a gélképződés irányító ereje az LCST-nél54.
Rheológiai vizsgálat
A készítmények reológiai paramétereit, nevezetesen a komplex viszkozitást (5I. ábra), a tárolási modulust (5II. ábra) és a veszteségmodulust (5III. ábra) a hőmérséklet függvényében ábrázoltuk. Amint az 5. ábrán látható, valamennyi reológiai paraméter erősen függ a hőmérséklettől, és mindkét készítmény szol-gél átalakulása 30 °C közelében kezdődik, amint azt a grafikonok inflexiós pontja mutatja. A gélképződés után mindkét készítmény reológiai paraméterei sokkal magasabbak, mint a szol fázisé. A PF127/TMC/PEG-HA komplex viszkozitás (I), a tárolási modulus (II) és a veszteségmodulus (III) értékei jelentősen magasabbak, mint a PF127 gélállapotban, ami azt jelzi, hogy a TMC-vel és PEG-HA-val módosított PF127 hidrogél mechanikailag erősebb, mint a PF127 hidrogél. A PF127/TMC/PEG-HA hidrogél jobb reológiai paraméterei az erős inter-micelláris kölcsönhatásoknak köszönhetőek, és a TMC és a PEG-HA valószínűleg növeli a PF127 által a hidrogélben képzett micellák stabilitását.
Duzzadási vizsgálat (a hidrogélkészítmények pH-érzékenysége)
A fagyasztva szárított hidrogél részecskék duzzadása savas pH (pH 5,4) mellett 0,1 M acetát pufferrel az idő függvényében (ábra). 6) 30 °C-on azt mutatta, hogy a PF127/TMC/PEG-HA által képzett gélrészecskék duzzadt állapotban 30 percig ellenálltak a teljes oldódásnak, majd elkezdtek oldódni a közegben, hogy már 2 óra elteltével teljesen lebomoljanak. Ezzel szemben a PF127 duzzadt állapotban 15 percig ellenállt a lebomlásnak, és 1 óra elteltével teljesen lebomlott. A PF127 hidrofilitása savas körülmények között a polimer-víz kölcsönhatás miatt megnőtt, ami a gélszerkezet gyors oldódását eredményezte21. A fagyasztva szárított hidrogél-részecskék pH-érzékenysége megváltozott, miután TMC-t és PEG-HA-t adtak a rendszerhez, és a módosított hidrogélrendszer fokozott inter-micelláris kölcsönhatása hosszabb ideig ellenállóvá tette a gélrészecskék savak által közvetített lebomlással/feloldódással szemben.
A gélrészecskék duzzadása semleges pH (7,4) mellett 0,1 M PBS használatával 30 °C-on azt mutatta, hogy a hidrogélrészecskék 4 órán keresztül duzzadtak maradtak, a feloldódás minden jele nélkül. A PF127/TMC/PEG-HA duzzadási aránya (5,01) pH 7,4 mellett 4 óra elteltével magasabb volt, mint a PF127-é (4,23), ami azt jelzi, hogy a PF127/TMC/PEG-HA összekapcsolt porózus hálózata több vízmolekulát halmozott fel szerkezetében a duzzadt állapotban (6. ábra).
Hidrogél lebomlási vizsgálat mechanikus keverés alatt (mechanikai stabilitási vizsgálat)
A PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 hidrogél lebomlási vizsgálata mechanikus keverés (70 rpm) alatt 14 napon keresztül neurális pH körülmények között azt mutatta, hogy a PF127/TMC/PEG-HA nagyobb mértékben állt ellen a gél lebomlásának, mint a PF127 hidrogél (7. ábra). A PF127/TMC/PEG-HA hidrogél 14 napos mechanikus keverés után 45,4%-os maradék tömeget mutatott, míg a PF127 rendszer nagyobb tömegveszteséget mutatott 14 nap után (39,2%-os maradék tömeg). Ezért a hidrogél mechanikai stabilitása megnövekedett, miután a formulációban a PF127 polimerláncokhoz TMC-t és PEG-HA-t adtunk, mivel a módosítással egy jobban összekapcsolt hidrogélszerkezet alakult ki.
A hidrogél formulációk SEM és TEM vizsgálata
A gallikusavval töltött PF127 SEM képei (ábra. 8A,B) és a PF127/TMC/PEG-HA (8C,D ábra) hidrogélek fagyasztva szárított állapotban a fagyasztva szárítás után agglomerált, szabálytalan pórusméretű pórusszerkezeteket mutatnak, mivel a víz eltávolítása miatt a hidrogélben lévő összes összekapcsolt hálózat egymásra rakódott. Mindazonáltal a PF127/TMC/PEG-HA (8C. ábra nagyított kék doboza a 8D. ábrán) a 8D. ábrán jobb összekapcsolt hálózatot mutat, markánsabb pórusokkal, mint a PF127 önmagában (8A. ábra nagyított piros doboza), mivel a PF127 láncok inter-micelláris kölcsönhatásai a TMC-vel és PEG-HA55-val történő módosítás után fokozódtak. A betöltött hatóanyag a hidrogél belsejében viszonylag kedvezőbben oszlott el a PF127/TMC/PEG-HA gélszerkezetén belül, és a tartós és kontrollált hatóanyag-felszabadulás jobb volt a módosított PF127-rendszerben az eredeti készítménynél jobban összekapcsolt pórusszerkezet miatt.
A PF127 TEM-felvételei (ábra. 8E. ábra) és a PF127/TMC/PEG-HA (8F. ábra) formulációk szol állapotban 100 és 1000 nm közötti méretű micelláris aggregátumokat/összekapcsolt micellákat mutatnak, amelyek a képeken különböző alakú szemcsékként jelennek meg, amint azt a 8E. ábrán a piros szaggatott körök és a 8F. ábrán a kék szaggatott körök jelzik. Amint az a 8. ábrán látható, a PF127/TMC/PEG-HA-ban kialakult micellák (F) kompaktabbak és stabilabbak voltak, mint a csak PF127-ből készültek (E). A micellákat elsősorban PF127 polimerláncok alkották, és a PF127/TMC/PEG-HA formulában a TMC és a PEG-HA a hidrofób kölcsönhatáson keresztül befolyásolta a PF127 stabil és kompakt intermicelláris struktúráinak vagy micelláris aggregátumainak kialakulását. Ezért a PF127/TMC/PEG-HA hidrogélből készült adagolórendszer a stabil inter-micelláris struktúráknak köszönhetően jó hatóanyag-felszabadulást mutathatott.
A hidrogélek SAXS-vizsgálata
A hidrogélek üveglapra bevont fagyasztva szárított formáját a mintatartóval párhuzamosan helyeztük a műszerre a reflexiós SAXS-hez. Amint a 9. ábrán látható, a hidrogél minták I (a. u.) értékeit q (Å-1) függvényében ábrázoltuk. A reflexiós üzemmódban végzett SAXS akkor történik, amikor a röntgensugár a felülettel majdnem párhuzamos sík mintára esik, és képet ad a hidrogélhálózat inhomogenitásáról56. A 9. ábrán az I (a. u.) és a q (Å-1) közötti grafikonon a csúcs megjelenése q = 0,02 Å-1-nél látható, ami a hidrogélekben megfigyelhető, ami a fagyott inhomogenitás jelenlétére utal, és ez a hidrogélek inherens hálózati hibáiból eredő, nagy elektronsűrűségű kristályosodott régió jelenlétének köszönhető57.
Reflexiós SAXS méréssel I (a. u.) és q (Å-1) függvényében a hatóanyaggal töltött (A) PF127 és (B) PF127/TMC/PEG-HA hidrogélek mérése.
A hidrogélkészítmények zéta-potenciálja
A készítmények zéta-potenciálját a szol fázisban 14 napon keresztül mértük, hogy nyomon kövessük a rendszerben lévő összetevők stabilitását a tárolás során. A készítményben lévő komponensek felületi töltése határozza meg stabilitásukat, oldhatóságukat és clearance58-jüket, és egy komponens felületi töltését a zéta-potenciállal mérik. Mind a PF127, mind a PF127/TMC/PEG-HA formulák a szol fázisban lévő hatóanyaggal (galluszsav) negatív zéta-potenciál értékeket mutattak (1. táblázat). A PF127 a szol fázisban a betöltött galluszsavval -18,7 mV ± 6,1 negatív zéta-potenciált mutatott 30 °C-on, a PF127/TMC/PEG-HA a szol fázisban lévő hatóanyaggal (galluszsavval) pedig -16,3 mV ± 5,9 negatív zéta-potenciál értéket mutatott. Amint az 1. táblázatban látható, a PF127 és a PF127/TMC/PEG-HA zéta-potenciálja 14 napos 30 °C-on történő tárolás után -18,7 mV ± 6,5, illetve -14,6 mV ± 7,7 volt. A készítményekben lévő összes komponens tehát egyenletesen, kicsapódás nélkül oszlott el a rendszerben, mivel a tárolási időszak alatt mindkét készítmény esetében nem tapasztaltunk jelentős változást a zéta-potenciál értékekben. Továbbá, a micellák felületi töltései nem változtak jelentősen a PF127/TMC/PEG-HA formulációban, mivel a TMC és a PEG-HA ellentétes töltésű, és ezért a PF127/TMC/PEG-HA eredő zéta-potenciálja hasonló a csak PF127-et tartalmazó formuláció zéta-potenciáljához.
A hatóanyaggal töltött hidrogélek FTIR-vizsgálata
A 10. ábra a fagyasztva szárított, galluszsavval töltött PF127/TMC/PEG-HA hidrogél jellegzetes FTIR-csúcsait mutatja (cm-1), és ezek a csúcsok 3445 (O-H nyújtás), PF127, TMC, PEG-HA és galluszsav); 2891 (C-H nyújtás), PF127, TMC, PEG-HA és galluszsav; 1644 (C=O nyújtás), TMC és PEG-HA; 1282 (C-O-C nyújtás), PF127, TMC és PEG-HA; 1110 (C-C-O szimmetrikus nyújtás) PF127; 964 (C-C-O aszimmetrikus nyújtás), PF127. Hasonló jellegzetes csúcsokat figyeltünk meg a galluszsavval töltött PF127 hidrogél FTIR-elemzése során. A fagyasztva szárított, galluszsavval töltött PF127 hidrogél FTIR-csúcsai a következők: 3445 cm-1 (O-H nyújtás), PF127 és galluszsav; 2891 cm-1 (C-H nyújtás), PF127 és galluszsav; 1282 cm-1 (C-O-C nyújtás), PF127; 1110 (C-C-O szimmetrikus nyújtás) PF127; és 964 (C-C-O aszimmetrikus nyújtás), PF127. A mindkét hidrogélkészítménynél 3445 cm-1-nél talált széles csúcs arra utalt, hogy a hidrogélekbe hatékonyan töltötték be a galluszsavat.
A gyógyszerrel töltött, kettős érzékenységű (pH/hőmérséklet) PF127 és PF127/TMC/PEG-HA hidrogélek
Kumulatív felszabadulási vizsgálat
A felszabadulási vizsgálatot a gallikusav PF127/TMC/PEG-HA és PF127 hidrogélekből történő felszabadulásának vizsgálatára végeztük 0,1 M PBS-ben (pH 7,4) és 37 °C-on (11. ábra). Mindkét készítmény a kezdeti szakaszban (5 órán belül) a hatóanyag (galluszsav) robbanásszerű felszabadulását mutatta, 64,60% ± 1,112 és 50,31% ± 0,411 hatóanyag-felszabadulással a PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 hidrogélek esetében. Öt nap elteltével a kumulatív hatóanyag-felszabadulás 87,61% ± 1,112 és 75,20% ± 0,1% volt.850 értéket regisztráltak a PF127/TMC/PEG-HA és a PF127 hidrogélek esetében, ami azt jelzi, hogy a PF127-ből TMC-vel és PEG-HA-val készült módosított hidrogélrendszer jobban működött hatóanyag-leadó rendszerként. A PF127/TMC/PEG-HA morfológiai változásai, mint például a fokozott inter-micelláris kölcsönhatások és a jól kialakult pórusos hálózati szerkezet javította a hatóanyag-felszabadulást semleges pH körülmények között.
A hatóanyag (galluszsav) kumulatív felszabadulása (%) (A) PF127 és (B) PF127/TMC/PEG-HA hidrogélekből pH 7,4 és 37 °C-on 5 napig 0,1 (M) PBS pufferben 5 napon keresztül. Az adatok háromszoros felszabadulási kísérletek átlagát ± SD és a hatóanyag felszabadulási adatok illesztését három különböző sebességmodellhez nulladik rendű, elsőrendű és Higuchi modellhez.
11. ábra A hidrogélekből a hatóanyag (galluszsav) kumulatív felszabadulási értékeit különböző kinetikai sebességmodellekkel illesztettük (11. ábra), a különböző sebességmodellek sebességállandóit pedig minden hidrogélfajtára vonatkozóan a 2. táblázat tartalmazza. A felszabadulási adatok különböző sebességmodellekhez való illesztését R2 értékekkel fejezzük ki (11. ábra).
A nulladik rendű sebességmodellt az egyenlet adja:
ahol Qt a hidrogélből a t időpontban (h) felszabaduló hatóanyag kumulatív mennyisége, Qo a hidrogélbe töltött hatóanyag kezdeti mennyisége, k0 pedig a null-rendű sebességi állandó (sec-1). A null-rendű sebességegyenlet szerinti hatóanyag-felszabadulási sebesség független a hidrogélbe töltött kezdeti hatóanyag-mennyiségtől.
Az elsőrendű sebességmodell a következő nemlineáris alakkal adódik:
hol Qt a hidrogélből t időpontban (h) felszabaduló kumulatív hatóanyagmennyiség, Qo a hidrogélbe töltött kezdeti hatóanyagmennyiség, k1 pedig az elsőrendű sebességi állandó (sec-1). Az elsőrendű sebességegyenlet szerinti hatóanyag-felszabadulás sebessége a koncentrációjától (a hidrogélbe töltött kezdeti hatóanyagmennyiségtől) függ.
A Higuchi sebességegyenlet a hatóanyag hidrogélből való felszabadulását diffúziós módszerrel javasolja, és a Higuchi sebességegyenlet nemlineáris formája:
ahol Qt a hidrogélből a t időpontban (h) felszabaduló hatóanyag kumulatív mennyisége, és kH a Higuchi-állandó (sec-0.5).
A felszabadulási adatok illesztése a különböző sebességmodellekhez (11. ábra) azt mutatja, hogy a hidrogélkészítmények hatóanyag-felszabadulási sebessége szorosan követi az elsőrendű sebességegyenletet, mivel mind a galluszsavval töltött PF127, mind a PF127/TMC/PEG-HA hidrogélek 0,990-es R2 értéket mutatnak, ami magasabb, mint az ebben a vizsgálatban használt más sebességmodellekből kapott értékek. Ezért a hidrogélekből történő hatóanyag-felszabadulás sebessége a hidrogélekbe töltött hatóanyag kezdeti koncentrációjától függ. Amint a 2. táblázatban látható, a k1 (sec-1) alacsonyabb, mint a többi sebességi állandó mindkét hidrogél-fajta esetében, és így a hatóanyag tartós felszabadulása a hidrogélből jobban követi az elsőrendű sebességi modellt, mint bármely más itt használt sebességi modell.