Dubbel-responsieve (pH/temperatuur) Pluronic F-127 hydrogel drug delivery systeem voor textiel-gebaseerde transdermale therapie

Karakterisering van chemisch gesynthetiseerd TMC en PEG-HA

De 1H-NMR spectra van TMC en chitosan worden getoond in Fig. 2A, waar chitosan pieken vertoonde bij 2,68 ppm voor H-2 en meerdere pieken in het bereik van 3,85-3,55 ppm voor H-3 tot H-6. De piek voor de N-trimethylgroep (-NMe3) van TMC werd gedetecteerd bij 3,36 ppm, wat de aanwezigheid van N-methylering bevestigt en verwijst naar gequaterniseerde locaties. Samen met TMC productie door één-staps N-methylering, werd een gemodificeerd chitosan derivaat met NMe2 (2,28 ppm) gesynthetiseerd als een bijproduct.

1H NMR-spectra van chitosan en TMC (A); HA en PEG-HA (B).

Zoals blijkt uit fig. 2B, vertoonde HA een piek bij 3,21 ppm voor glucosidische H en een aeetyl H-piek bij 1,89 ppm. HA na reactie met OMe-PEG2000-NH2 vertoonde een ethyleen-H-piek (3,60 ppm) en de (-NH-CH2-CH2-O-) H-piek (2,76 ppm) van OMe-PEG2000-NH2, wat erop wijst dat PEG-HA met succes door een amidekoppelingsreactie werd gevormd (fig. 2B). Andere pieken van PEG-HA zijn zeer vergelijkbaar met die van HA.

De FT-IR spectra van chitosan en TMC worden getoond in Fig. 3A. TMC vertoonde karakteristieke pieken: O-H/N-H uitrekking (3431 cm-1); C-H uitrekking, pyranose ring (2919 cm-1); C=O uitrekking, amide van NH-Ac (1654 cm-1); C-H uitrekking, methyl van TMC (1503 cm-1); C-H buiging, CH3CO (1390 cm-1); en C-O-C uitrekking (1158, 1066 cm-1). Uit figuur 3A blijkt dat de spectrale pieken van chitosan vergelijkbaar zijn met die van TMC. Chitosan vertoonde O-H/N-H strekkingspieken bij 3421 cm-1, C-H strekkingspieken van de pyranose ring bij 2880 cm-1, C=O strekkingspieken van de amide van NH-Ac bij 1654 cm-1, C-H strekkingspieken van CH3CO bij 1390 cm-1, en C-O-C strekkingspieken bij 1155 en 1078 cm-1. De piek bij 1503 cm-1 voor de C-H-bindingen van methylgroepen in TMC komt overeen met de toevoeging van trimethylgroepen aan de aminegroepen van chitosan.

FTIR-spectra van chitosan en TMC (A); HA en PEG-HA (B).

De karakteristieke FTIR-pieken van PEG-HA die in fig. 3B worden getoond, zijn O-H-uitrekking (3428 cm-1), C-H-uitrekking, pyranose ring (2892 cm-1), C=O-uitrekking, NH-Ac (1644 cm-1), en C-N-uitrekking (1473 cm-1). HA vertoonde soortgelijke karakteristieke pieken als PEG-HA en de spectrale pieken van HA zijn O-H strekkend (3438 cm-1); C-H strekkend, pyranose ring (2899 cm-1); en C=O strekkend, NH-Ac (1615 cm-1). De piek gevonden bij 1473 cm-1 voor PEG-HA wijst op amide koppeling van HA met OMe-PEG2000-NH2.

Dynamische viscositeit analyse en buis inversie resultaten (thermo-responsiviteit van hydrogel formuleringen)

In deze studie, werden de dynamische viscositeit waarden van de formuleringen gemeten als functie van de temperatuur met een vaste afschuifsnelheid van 85 s-1, en de omzetting van de sol fase naar de gel fase met temperatuur wordt afgebeeld in Fig. 4I. De dynamische viscositeitswaarden (Pa.s) van de met galzuur geladen hydrogelformuleringen PF127/TMC/PEG-HA en PF127 veranderden geleidelijk met toenemende temperatuur in het bereik van 5-50 °C, en vanaf het buigpunt vertoonden beide formuleringen duidelijk een sol-gel overgang bij 37 °C. Bovendien was het PF127-gehalte van beide formuleringen 13,5 wt% van het totale gewicht van de hydrogelformuleringen, en beide monsters vertoonden een gelatietemperatuur van 37 °C. De dynamische viscositeitswaarden van de PF127/TMC/PEG-HA en PF127-hydrogels bij 37 °C waren respectievelijk 7,02 Pa.s en 5,6 Pa.s. De hogere dynamische viscositeitswaarde van PF127/TMC/PEG-HA dan die van PF127 bij 37 °C was te wijten aan de toevoeging van TMC en PEG-HA in het op PF127 gebaseerde hydrogel-systeem en dat versterkte inter-micellaire interacties creëerde door de hydrofobiciteit van het hele systeem te verhogen1. Bovendien suggereerde de hogere dynamische viscositeitswaarde van de PF127/TMC/PEG-HA-hydrogel op het punt van gelering een betere weerstand tegen vervorming onder spanning. In de literatuur wordt gemeld dat PF127 zich in de gelfase (37 °C) gedraagt als een niet-Newtoniaanse vloeistof en dat de dynamische viscositeitswaarden variëren als functie van de afschuifsnelheid52. PF127 in de sol-fase gedroeg zich als een Newtonse vloeistof52. In de huidige studie waren de dynamische viscositeitswaarden van formuleringen in de sol-fase bij 5 °C 0,40 Pa.s en 0,32 Pa.s voor respectievelijk PF127/TMC/PEG-HA en PF127, die goed overeenkomen met eerder gerapporteerde waarden in de literatuur52.

De buisinversiemethode werd toegepast om gelatie met temperatuurverandering te visualiseren door de stroombaarheid van PF127/TMC/PEG-HA te meten en het systeem vertoonde omkeerbare gelatie met een sol-gel overgang bij 37 °C. PF127-ketens gebruiken samen met twee andere verbindingen (TMC en PEG-HA) de temperatuur als trigger en vormen hydrogels door omkeerbare fysische koppeling van de polymeerketens53. De hydrogels keren terug naar de oplossingstoestand nadat de thermische prikkel is verwijderd. De inter-micellaire aggregatie van thermo-responsieve polymeren bij de geleertemperatuur vertoont een positieve entropieverandering (ΔS) en een negatieve vrije-energieverandering (ΔG) van aggregatie54. De water-water associaties veroorzaken een toename van de entropie, bekend als het hydrofobe effect, dat de leidende kracht is voor gelvorming bij LCST54.

Rheologiestudie

De reologische parameters van de formuleringen, namelijk, complexe viscositeit (Fig. 5I), opslagmodulus (Fig. 5II), en verliesmodulus (Fig. 5III) zijn geïllustreerd als de functie van de temperatuur. Zoals blijkt uit figuur 5, zijn alle reologische parameters sterk afhankelijk van de temperatuur en de sol-gel conversie van beide formuleringen blijkt te beginnen bij 30 °C, zoals blijkt uit het buigpunt van de grafieken. Na gelvorming blijken alle reologische parameters van beide formuleringen veel hoger te zijn dan hun sol-fase. De waarden van de complexe viscositeit (I), opslagmodulus (II) en verliesmodulus (III) van PF127/TMC/PEG-HA zijn significant hoger dan die van PF127 in hun geltoestand, wat aangeeft dat de gemodificeerde PF127-hydrogel met TMC en PEG-HA mechanisch sterker is dan PF127-hydrogels. De verbeterde reologische parameters van PF127/TMC/PEG-HA-hydrogel kunnen optreden als gevolg van sterke inter-micellaire interacties en TMC en PEG-HA zou mogelijk de stabiliteit van micellen gevormd door PF127 in de hydrogel.

Zwellingsstudie (pH-responsiviteit van hydrogelformuleringen)

De zwelling van gevriesdroogde hydrogeldeeltjes onder zure pH (pH 5,4) met 0,1 M acetaatbuffer tegen de tijd (Fig. 6) bij 30 ° C bleek dat de gel deeltjes gevormd door PF127 / TMK / PEG-HA in de gezwollen toestand weerstaan volledige ontbinding tot 30 min en dan begon te worden opgelost in de media volledig af te breken net na 2 uur. In tegenstelling, PF127 in de gezwollen toestand weerstaan afbraak tot 15 min, en werd volledig afgebroken na 1 uur. De hydrofiliciteit van PF127 werd verhoogd onder zure omstandigheden als gevolg van de polymeer-water interactie, die resulteerde in snelle ontbinding van de gel structuur 21. De pH-responsiviteit van de gevriesdroogde hydrogeldeeltjes werd gewijzigd na toevoeging van TMC en PEG-HA in het systeem, en de verbeterde inter-micellaire interactie van het gemodificeerde hydrogel systeem maakte weerstand tegen de zuur gemedieerde degradatie / ontbinding van geldeeltjes voor een langere tijd.

De zwelling van geldeeltjes onder neutrale pH (7,4) met behulp van 0,1 M PBS bij 30 ° C bleek dat de hydrogel deeltjes gezwollen bleef gedurende 4 uur zonder enig bewijs van ontbinding. De zwellingsverhouding van PF127/TMC/PEG-HA (5,01) bij pH 7,4 na 4 uur was hoger dan die van PF127 (4,23), wat aangeeft dat het onderling verbonden poreuze netwerk van PF127/TMC/PEG-HA meer watermoleculen in hun structuur accumuleerde in de gezwollen toestand (Fig. 6).

Hydrogelafbraakstudie onder mechanisch roeren (mechanische stabiliteitstest)

De hydrogelafbraakstudie van PF127/TMC/PEG-HA en PF127 onder mechanisch roeren (70 omwentelingen per minuut) gedurende 14 dagen in neurale pH-condities gaf aan dat PF127/TMC/PEG-HA de gelafbraak in hogere mate weerstond dan de PF127-hydrogel (Fig. 7). De hydrogel gemaakt van PF127/TMC/PEG-HA vertoonde een resterende massa van 45,4% na mechanisch roeren gedurende 14 dagen, terwijl het PF127-systeem een hoger massaverlies vertoonde na 14 dagen (resterende massa van 39,2%). Daarom werd de mechanische stabiliteit van de hydrogel verhoogd na de toevoeging van TMC en PEG-HA aan PF127 polymeerketens in de formulering omdat een meer onderling verbonden hydrogelstructuur werd gevormd door deze modificatie.

SEM- en TEM-studie van hydrogelformuleringen

De SEM-beelden van galluszuur geladen PF127 (Fig. 8A,B) en PF127/TMC/PEG-HA (Fig. 8C,D) hydrogels in de gevriesdroogde toestand tonen geagglomereerde poreuze structuren met onregelmatige poriegrootte na het vriesdrogen, omdat de verwijdering van water alle onderling verbonden netwerken in de hydrogel deed stapelen. Niettemin vertoont het beeld van PF127/TMC/PEG-HA (vergroot blauw vak van Fig. 8C) in Fig. 8D een beter onderling verbonden netwerk met meer onderscheidende poriën dan dat van PF127 alleen (vergroot rood vak van Fig. 8A) als inter-micellaire interacties van PF127 ketens werden versterkt na modificatie met TMC en PEG-HA55. Het geladen geneesmiddel in de hydrogel werd relatief gunstiger verdeeld binnen de gelstructuur van PF127/TMC/PEG-HA en de aanhoudende en gecontroleerde geneesmiddelafgifte was beter in het gemodificeerde PF127-systeem als gevolg van de meer onderling verbonden poreuze structuur in de oorspronkelijke formulering.

De TEM-afbeeldingen van PF127 (Fig. 8E) en PF127/TMC/PEG-HA (Fig. 8F) formuleringen in de vaste toestand vertonen micellaire aggregaten/interconnected micellen variërend van 100 tot 1000 nm in grootte die op de beelden verschijnen als korrels van verschillende vorm, zoals aangegeven door de rode gestippelde cirkels in Fig. 8E en de blauwe gestippelde cirkels in Fig. 8F. Zoals te zien is in Fig. 8, waren de micellen gevormd in PF127/TMC/PEG-HA (F) compacter en stabieler dan die gemaakt van alleen PF127 (E). De micellen werden voornamelijk gevormd door PF127 polymeerketens, en TMC en PEG-HA in de PF127/TMC/PEG-HA formulering beïnvloedden de vorming van stabiele en compacte inter-micellaire structuren of micellaire aggregaten van PF127 door de hydrofobe interactie. Daarom kon het leveringssysteem gemaakt van PF127/TMC/PEG-HA hydrogel een goede geneesmiddelafgifte vertonen als gevolg van hun stabiele inter-micellaire structuren.

SAXS studie van hydrogels

De gevriesdroogde vorm van de op de glasplaat gecoate hydrogels werd parallel aan de monsterhouder op het instrument geplaatst voor reflectie SAXS. Zoals te zien is in Fig. 9, werden de waarden van I (a. u.) van de hydrogelmonsters uitgezet tegen q (Å-1). SAXS in reflectiemodus wordt gedaan wanneer röntgenstralen een vlak monster bijna parallel aan het oppervlak raakt en geeft het idee van inhomogeniteit van het hydrogelnetwerk56. De plot van I (a. u.) vs q (Å-1) in Fig. 9 heeft piek verschijning bij q = 0.02 Å-1 die wordt waargenomen in hydrogels wijzen op de aanwezigheid van bevroren inhomogeniteit en dit is te wijten aan de aanwezigheid van hoge elektronendichtheid gekristalliseerde regio die afkomstig zijn van de inherente netwerk gebreken van hydrogels57.

Reflectie SAXS door het meten van I (a. u.) vs q (Å-1) van met geneesmiddel geladen (A) PF127 en (B) PF127/TMC/PEG-HA hydrogels.

Zeta potentiaal van hydrogelformuleringen

De zeta potentiaal van de formuleringen in de sol fase werd gedurende 14 dagen gemeten om de stabiliteit van de componenten in het systeem tijdens opslag te controleren. De oppervlaktelading van de componenten in de formulering bepaalt hun stabiliteit, oplosbaarheid en klaring58, en de oppervlaktelading van een component wordt gemeten door de zeta potentiaal. Zowel PF127 als PF127/TMC/PEG-HA formuleringen met geneesmiddel (galluszuur) in de sol fase vertoonden negatieve zeta potentiaal waarden (Tabel 1). PF127 in de sol-fase met geladen galluszuur vertoonde een negatieve zeta-potentiaal van -18,7 mV ± 6,1 bij 30 °C en PF127/TMC/PEG-HA met geneesmiddel (galluszuur) in de sol-fase vertoonde een negatieve zeta-potentiaalwaarde van -16,3 mV ± 5,9. Zoals weergegeven in tabel 1, waren de zeta-potentiaalwaarden van PF127 en PF127/TMC/PEG-HA respectievelijk -18,7 mV ± 6,5 en -14,6 mV ± 7,7, na 14 dagen opslag bij 30 °C. Alle componenten in de formuleringen waren dus uniform gedistribueerd in het systeem zonder neerslag, aangezien er geen significante verandering in zeta-potentiaalwaarden werd gevonden voor beide formuleringen gedurende de opslagperiode. Bovendien zijn de oppervlaktebelastingen van de micellen niet significant gewijzigd in PF127/TMC/PEG-HA-formuleringen, aangezien TMC en PEG-HA tegengesteld geladen zijn en daarom is de resulterende zetapotentiaal van PF127/TMC/PEG-HA vergelijkbaar met de zetapotentiaal van formuleringen met alleen PF127.

FTIR-studie van met geneesmiddel geladen hydrogels

Figuur 10 toont de karakteristieke FTIR-pieken van PF127/TMC/PEG-HA-hydrogel geladen met galluszuur in de gevriesdroogde vorm (cm-1), en deze pieken zijn 3445 (O-H uitrekken), PF127, TMC, PEG-HA, en galluszuur); 2891 (C-H uitrekking), PF127, TMC, PEG-HA, en galluszuur; 1644 (C=O uitrekking), TMC en PEG-HA; 1282 (C-O-C uitrekking), PF127, TMC, en PEG-HA; 1110 (C-C-O symmetrische uitrekking), PF127; 964 (C-C-O asymmetrische uitrekking), PF127. Vergelijkbare karakteristieke pieken werden waargenomen bij de FTIR-analyse van PF127-hydrogel geladen met galluszuur. De FTIR-pieken van de PF127-hydrogel geladen met galluszuur in de gevriesdroogde vorm zijn 3445 cm-1 (O-H uitrekking), PF127 en galluszuur; 2891 cm-1 (C-H uitrekking), PF127 en galluszuur; 1282 cm-1 (C-O-C uitrekking), PF127; 1110 (C-C-O symmetrische uitrekking), PF127; en 964 (C-C-O asymmetrische uitrekking), PF127. De brede piek gevonden bij 3445 cm-1 van beide hydrogelformuleringen suggereerde dat galluszuur effectief in de hydrogels was geladen.

FTIR-spectra van geneesmiddel geladen dual responsieve (pH/temperatuur) PF127 en PF127/TMC/PEG-HA hydrogels.

Cumulatieve afgiftestudie

De afgiftestudie werd uitgevoerd om de afgifte van galzuur uit PF127/TMC/PEG-HA en PF127-hydrogels in 0,1 M PBS (pH 7,4) en bij 37 °C te onderzoeken (Fig. 11). Beide formuleringen vertoonden een explosieve afgifte van het geneesmiddel (galluszuur) in een eerste fase (binnen 5 uur) met 64,60% ± 1,112 en 50,31% ± 0,411 geneesmiddelafgifte voor respectievelijk PF127/TMC/PEG-HA en PF127 hydrogels. Na 5 dagen was er een cumulatieve geneesmiddelafgifte van 87,61% ± 1,112 en 75,20% ± 0,411.850 werd geregistreerd voor respectievelijk PF127/TMC/PEG-HA en PF127 hydrogels, wat aangeeft dat het gemodificeerde hydrogel-systeem gemaakt van PF127 met TMC en PEG-HA beter werkte als geneesmiddelafgiftesysteem. De morfologische veranderingen van PF127/TMC/PEG-HA, zoals verbeterde inter-micellaire interacties en een goed gevormde poreuze netwerkstructuur verbeterden de geneesmiddelafgifte onder neutrale pH-condities.

Cumulatieve afgifte (%) van geneesmiddel (gallinezuur) uit (A) PF127 en (B) PF127/TMC/PEG-HA-hydrogels bij pH 7,4 en 37 °C gedurende 5 dagen in 0,1 (M) PBS-buffer. De gegevens zijn het gemiddelde van drievoudige afgifte-experimenten ± SD en de aanpassing van de afgiftedata aan drie verschillende snelheidsmodellen: nul-orde, eerste-orde en Higuchi.

Figuur 11 De cumulatieve afgiftedata van het geneesmiddel (galluszuur) uit de hydrogels zijn aangepast aan verschillende kinetische snelheidsmodellen (Fig. 11), en de snelheidsconstanten van verschillende snelheidsmodellen voor alle hydrogelvarianten zijn vermeld in Tabel 2. De fitting van de afgiftedata met de verschillende snelheidsmodellen wordt uitgedrukt in R2-waarden (fig. 11).

Het nul-orde snelheidsmodel wordt gegeven door de vergelijking:

waarbij Qt de cumulatieve hoeveelheid geneesmiddel is die vrijkomt uit de hydrogel op tijdstip t (h), Qo de aanvankelijke hoeveelheid geneesmiddel die in de hydrogel is geladen, en k0 de zero-order snelheidsconstante (sec-1) is. De afgiftesnelheid van het geneesmiddel volgens de nul-ordesnelheidsvergelijking is onafhankelijk van de aanvankelijke hoeveelheid geneesmiddel die in de hydrogel is geladen.

Het eerste-ordesnelheidsmodel wordt gegeven door de volgende niet-lineaire vorm:

waarbij Qt de cumulatieve hoeveelheid geneesmiddel is die op tijdstip t (h) uit de hydrogel vrijkomt, Qo de aanvankelijke hoeveelheid geneesmiddel is die in de hydrogel is geladen, en k1 de eerste-ordesnelheidsconstante (sec-1) is. De afgiftesnelheid van het geneesmiddel door de eerste-ordesnelheidsvergelijking is afhankelijk van de concentratie (de aanvankelijke hoeveelheid geneesmiddel die in de hydrogel is geladen).

Higuchi-snelheidsvergelijking suggereert afgifte van geneesmiddel uit hydrogels door diffusiemethode en de niet-lineaire vorm van de Higuchi-snelheidsvergelijking is:

waar Qt de cumulatieve hoeveelheid geneesmiddel is die vrijkomt uit de hydrogel op tijdstip t (h), en kH de Higuchi-constante is (sec-0.5).

De aanpassing van de afgiftedata aan de verschillende snelheidsmodellen (Fig. 11) geeft aan dat de afgiftesnelheid van het geneesmiddel van de hydrogelformuleringen nauwgezet de eerste-ordesnelheidsvergelijking volgt, aangezien zowel de met galluszuur geladen PF127 als de PF127/TMC/PEG-HA hydrogels R2-waarden van 0,990 vertonen, die hoger zijn dan die verkregen met andere snelheidsmodellen die in deze studie zijn gebruikt. De afgiftesnelheid van het geneesmiddel uit de hydrogels is dus afhankelijk van de initiële concentratie van het geneesmiddel in de hydrogels. Zoals gevonden in tabel 2, is k1 (sec-1) lager dan andere snelheidsconstanten voor beide soorten hydrogels, en dus volgt de duurzame afgifte van geneesmiddel uit de hydrogel nauwer het eerste-orde snelheidsmodel dan enig ander hier gebruikt snelheidsmodel.