Sistem de eliberare a medicamentelor cu hidrogel Pluronic F-127 cu răspuns dublu (pH/temperatură) pentru terapia transdermică pe bază de textile

Caracterizarea TMC și PEG-HA sintetizate chimic

Spectrele 1H-NMR ale TMC și chitosanului sunt prezentate în Fig. 2A, unde chitosanul a prezentat vârfuri la 2,68 ppm pentru H-2 și vârfuri multiple în intervalul 3,85-3,55 ppm pentru H-3 până la H-6. Picul pentru grupul N-trimetil (-NMe3) din TMC a fost detectat la 3,36 ppm, confirmând prezența N-metilării și referindu-se la situsurile cuaternizate. Împreună cu producerea de TMC prin N-metilare într-o singură etapă, a fost sintetizat un derivat de chitosan modificat cu NMe2 (2,28 ppm) ca produs secundar.

Spectrele RMN de 1H ale chitosanului și TMC (A); HA și PEG-HA (B).

După cum se arată în Fig. 2B, HA a prezentat un vârf la 3,21 ppm pentru H glucozidic și un vârf H aetil la 1,89 ppm. HA după reacția cu OMe-PEG2000-NH2 a prezentat un vârf de H etilenic (3,60 ppm) și vârful (-NH-CH2-CH2-O-) H (2,76 ppm) al OMe-PEG2000-NH2, indicând că PEG-HA a fost format cu succes printr-o reacție de cuplare a amidelor (Fig. 2B). Celelalte vârfuri ale PEG-HA sunt foarte asemănătoare cu cele ale HA.

Spectrele FT-IR ale chitosanului și TMC sunt prezentate în Fig. 3A. TMC a prezentat vârfuri caracteristice: O-H/N-H întindere (3431 cm-1); C-H întindere, inel piranoză (2919 cm-1); C=O întindere, amidă de NH-Ac (1654 cm-1); C-H întindere, metil de TMC (1503 cm-1); C-H încovoiere, CH3CO (1390 cm-1); și C-O-C întindere (1158, 1066 cm-1). Figura 3A arată că vârfurile spectrale ale chitosanului sunt similare cu cele ale TMC. Chitosanul a prezentat o întindere O-H/N-H la 3421 cm-1, o întindere C-H a inelului piranozei la 2880 cm-1, o întindere C=O a amidei din NH-Ac la 1654 cm-1, o curbură C-H a CH3CO la 1390 cm-1 și o întindere C-O-C la 1155 și 1078 cm-1. Picul de la 1503 cm-1 pentru legăturile C-H ale grupărilor metil din TMC corespunde adaosului de grupări trimetil la grupările amină din chitosan.

Spectrele FTIR ale chitosanului și TMC (A); HA și PEG-HA (B).

Picurile FTIR caracteristice ale PEG-HA prezentate în Fig. 3B sunt întinderea O-H (3428 cm-1), întinderea C-H, inel piranoză (2892 cm-1), întinderea C=O, NH-Ac (1644 cm-1) și întinderea C-N (1473 cm-1). HA a prezentat vârfuri caracteristice similare cu cele ale PEG-HA, iar vârfurile spectrale ale HA sunt întinderea O-H (3438 cm-1); întinderea C-H, inel piranoză (2899 cm-1); și întinderea C=O, NH-Ac (1615 cm-1). Picul găsit la 1473 cm-1 pentru PEG-HA indică cuplarea amidică a HA cu OMe-PEG2000-NH2.

Analiză a vâscozității dinamice și rezultate ale inversiunii tubului (termosensibilitatea formulărilor de hidrogel)

În acest studiu, valorile vâscozității dinamice ale formulărilor au fost măsurate în funcție de temperatură cu o viteză de forfecare fixă de 85 s-1, iar conversia fazei sol în faza de gel în funcție de temperatură este descrisă în Fig. 4I. Valorile vâscozității dinamice (Pa.s) ale formulărilor de hidrogel încărcate cu acid galic PF127/TMC/PEG-HA și PF127 s-au modificat treptat odată cu creșterea temperaturii în intervalul 5-50 °C, iar de la punctul de inflexiune, ambele formulări au prezentat în mod clar o tranziție sol-gel la 37 °C. Mai mult, conținutul PF127 din ambele formulări a fost de 13,5 % în greutate din greutatea totală a formulărilor de hidrogel, iar ambele probe au prezentat o temperatură de gelifiere de 37 °C. Valorile vâscozității dinamice a hidrogelurilor PF127/TMC/PEG-HA și PF127 la 37 °C au fost de 7,02 Pa.s și, respectiv, 5,6 Pa.s. Valoarea mai mare a vâscozității dinamice a PF127/TMC/PEG-HA decât cea a PF127 la 37 °C s-a datorat adaosului de TMC și PEG-HA în sistemul hidrogel pe bază de PF127 și a creat interacțiuni inter-micelare îmbunătățite prin creșterea hidrofobicității întregului sistem1. În plus, valoarea mai mare a vâscozității dinamice a hidrogelului PF127/TMC/PEG-HA în punctul de gelifiere a sugerat o rezistență mai bună la deformare sub tensiune. În literatura de specialitate, s-a raportat că PF127 se comportă ca un fluid newtonian în faza de gel (37 °C), iar valorile vâscozității dinamice au variat în funcție de viteza de forfecare52. PF127 în faza de sol s-a comportat ca un fluid newtonian52. În studiul de față, valorile vâscozității dinamice ale formulărilor în faza de sol la 5 °C au fost de 0,40 Pa.s și 0,32 Pa.s pentru PF127/TMC/PEG-HA și, respectiv, PF127, care sunt în bună concordanță cu valorile raportate anterior în literatura de specialitate52.

Metoda de inversiune tubulară a fost aplicată pentru a vizualiza gelifierea cu modificarea temperaturii prin măsurarea fluidității PF127/TMC/PEG-HA, iar sistemul a prezentat o gelifiere reversibilă cu o tranziție sol-gel la 37 °C. Lanțurile PF127 împreună cu alți doi compuși (TMC și PEG-HA) utilizează temperatura ca declanșator și formează hidrogeluri prin legarea fizică reversibilă a lanțurilor polimerice53. Hidrogelurile revin la starea de soluție după ce stimulul termic este eliminat. Agregarea intermicelară a polimerilor termoresponsivi în apropierea temperaturii de gelificare prezintă o modificare pozitivă a entropiei (ΔS) și o modificare negativă a energiei libere (ΔG) de agregare54. Asocierile apă-apă determină o creștere a entropiei cunoscută sub numele de efect hidrofob, care este forța de ghidare pentru formarea gelului la LCST54.

Studiu reologic

Parametrii reologici ai formulărilor, și anume, vâscozitatea complexă (Fig. 5I), modulul de stocare (Fig. 5II) și modulul de pierdere (Fig. 5III) au fost ilustrați în funcție de temperatură. După cum se arată în figura 5, toți parametrii reologici depind în mare măsură de temperatură și s-a constatat că transformarea sol-gel a ambelor formulări a început în apropiere de 30 °C, după cum se obține din punctul de inflexiune al graficelor. După formarea gelului, s-a constatat că toți parametrii reologici ai ambelor formulări sunt mult mai mari decât în faza de sol. Vâscozitatea complexă (I), modulul de stocare (II) și modulul de pierdere (III) ale PF127/TMC/PEG-HA sunt semnificativ mai mari decât cele ale PF127 în stare de gel, ceea ce indică faptul că hidrogelul PF127 modificat cu TMC și PEG-HA este mai puternic din punct de vedere mecanic decât hidrogelurile PF127. Parametrii reologici îmbunătățiți ai hidrogelului PF127/TMC/PEG-HA ar putea avea loc datorită interacțiunilor inter-micelare puternice, iar TMC și PEG-HA ar spori, probabil, stabilitatea micelilor formate de PF127 în hidrogel.

Studiul de umflare (sensibilitatea la pH a formulărilor de hidrogel)

Gonflatarea particulelor de hidrogel liofilizate în condiții de pH acid (pH 5,4) folosind un tampon de acetat 0,1 M în funcție de timp (Fig. 6) la 30 °C a arătat că particulele de gel formate de PF127/TMC/PEG-HA în stare umflată au rezistat la dizolvarea completă până la 30 min și, apoi, au început să fie dizolvate în mediu pentru a se degrada complet imediat după 2 h. În schimb, PF127 în stare umflată a rezistat la degradare până la 15 min și a fost complet degradat după 1 h. Hidrofilicitatea PF127 a fost crescută în condiții acide datorită interacțiunii polimer-apă, ceea ce a dus la dizolvarea rapidă a structurii de gel21. Capacitatea de reacție la pH a particulelor de hidrogel liofilizate a fost modificată după adăugarea de TMC și PEG-HA în sistem, iar interacțiunea inter-micelară îmbunătățită a sistemului hidrogel modificat a conferit rezistență la degradarea/dizolvarea particulelor de gel mediată de acizi pentru o perioadă mai lungă de timp.

Gonflatarea particulelor de gel în condiții de pH neutru (7,4) folosind PBS 0,1 M la 30 °C a arătat că particulele de hidrogel au rămas umflate timp de 4 h fără nicio dovadă de dizolvare. Raportul de umflare a PF127/TMC/PEG-HA (5,01) la pH 7,4 după 4 h a fost mai mare decât cel al PF127 (4,23), ceea ce indică faptul că rețeaua poroasă interconectată de PF127/TMC/PEG-HA a acumulat mai multe molecule de apă în structura lor în stare umflată (Fig. 6).

Studiul de degradare a hidrogelului sub agitare mecanică (test de stabilitate mecanică)

Studiul de degradare a hidrogelului PF127/TMC/PEG-HA și PF127 sub agitare mecanică (70 rpm) timp de 14 zile în condiții de pH neuronal a indicat că PF127/TMC/PEG-HA a rezistat degradării gelului într-o măsură mai mare decât hidrogelul PF127 (Fig. 7). Hidrogelul realizat din PF127/TMC/PEG-HA a prezentat o masă rămasă de 45,4 % după agitare mecanică timp de 14 zile, în timp ce sistemul PF127 a prezentat o pierdere de masă mai mare după 14 zile (masă rămasă de 39,2 %). Prin urmare, stabilitatea mecanică a hidrogelului a crescut după adăugarea de TMC și PEG-HA la lanțurile de polimeri PF127 din formulare, deoarece prin această modificare s-a format o structură de hidrogel mai interconectată.

Studiul SEM și TEM al formulărilor de hidrogel

Imaginile SEM ale PF127 încărcate cu acid galic (Fig. 8A,B) și a hidrogelurilor PF127/TMC/PEG-HA (Fig. 8C,D) în stare liofilizată prezintă structuri poroase aglomerate cu dimensiuni neregulate ale porilor după liofilizare, deoarece îndepărtarea apei a făcut ca toate rețelele interconectate din hidrogel să se suprapună. Cu toate acestea, imaginea PF127/TMC/PEG-HA (caseta albastră mărită din Fig. 8C) din Fig. 8D prezintă o rețea mai bine interconectată cu pori mai distincți decât cea a PF127 singur (caseta roșie mărită din Fig. 8A), deoarece interacțiunile intermicelare ale lanțurilor PF127 au fost îmbunătățite după modificarea cu TMC și PEG-HA55. Medicamentul încărcat în interiorul hidrogelului a fost distribuit relativ mai favorabil în interiorul structurii gelului de PF127/TMC/PEG-HA, iar eliberarea susținută și controlată a medicamentului a fost mai bună în sistemul PF127 modificat datorită structurii poroase mai interconectate din formula originală.

Imaginile TEM ale PF127 (Fig. 8E) și PF127/TMC/PEG-HA (Fig. 8F) și a formulărilor PF127/TMC/PEG-HA (Fig. 8F) în stare solară arată agregate micelare/micelule interconectate cu dimensiuni cuprinse între 100 și 1000 nm, care apar pe imagini ca granule de diferite forme, așa cum indică cercurile punctate roșii din Fig. 8E și cercurile punctate albastre din Fig. 8F. După cum se arată în Fig. 8, miclele formate în PF127/TMC/PEG-HA (F) au fost mai compacte și mai stabile decât cele formate numai din PF127 (E). Micelulele au fost formate în principal de lanțurile de polimeri PF127, iar TMC și PEG-HA din formula PF127/TMC/PEG-HA au influențat formarea structurilor inter-micelare stabile și compacte sau a agregatelor micelare de PF127 prin interacțiunea hidrofobă. Prin urmare, sistemul de administrare alcătuit din hidrogelul PF127/TMC/PEG-HA ar putea prezenta o bună eliberare a medicamentului datorită structurilor inter-micelare stabile ale acestora.

Studiul SAXS al hidrogelurilor

Forma liofilizată a hidrogelurilor acoperite pe placa de sticlă a fost plasată paralel cu suportul de probă pe instrument pentru reflexia SAXS. După cum se arată în Fig. 9, valorile lui I (a. u.) ale probelor de hidrogel au fost reprezentate grafic în funcție de q (Å-1). SAXS în modul de reflexie se realizează atunci când razele X lovesc o probă plană aproape paralelă cu suprafața și oferă o idee despre neomogenitatea rețelei de hidrogel56. Graficul I (a. u.) în raport cu q (Å-1) din Fig. 9 a arătat apariția unui vârf la q = 0,02 Å-1, care este observat în hidrogeluri, ceea ce indică prezența unei neomogenități înghețate, iar acest lucru se datorează prezenței unei regiuni cristalizate cu densitate mare de electroni care provine din defectele inerente rețelei de hidrogeluri57.

Reflecție SAXS prin măsurarea I (a. u.) în funcție de q (Å-1) a hidrogelurilor încărcate cu medicament (A) PF127 și (B) PF127/TMC/PEG-HA.

Potențialul zeta al formulărilor de hidrogel

Potențialul zeta al formulărilor în faza sol a fost măsurat timp de 14 zile pentru a monitoriza stabilitatea componentelor din sistem în timpul depozitării. Sarcina de suprafață a componentelor din formulare determină stabilitatea, solubilitatea și clearance-ul acestora58, iar sarcina de suprafață a unei componente se măsoară prin potențialul zeta. Atât formulările PF127, cât și PF127/TMC/PEG-HA cu medicament (acid galic) în faza solară au prezentat valori negative ale potențialului zeta (tabelul 1). PF127 în faza sol cu acid galic încărcat a prezentat un potențial zeta negativ de -18,7 mV ± 6,1 la 30 °C, iar PF127/TMC/PEG-HA cu medicament (acid galic) în faza sol a prezentat o valoare negativă a potențialului zeta de -16,3 mV ± 5,9. După cum se arată în tabelul 1, valorile potențialului zeta ale PF127 și PF127/TMC/PEG-HA au fost de -18,7 mV ± 6,5 și, respectiv, -14,6 mV ± 7,7, după 14 zile de depozitare la 30 °C. Prin urmare, toate componentele din formulări au fost distribuite în mod uniform în sistem, fără precipitare, deoarece nu s-a constatat nicio modificare semnificativă a valorilor potențialului zeta pentru ambele formulări pe parcursul perioadei de depozitare. Mai mult, sarcinile de suprafață ale micelilor nu sunt modificate semnificativ în formularea PF127/TMC/PEG-HA, deoarece TMC și PEG-HA au sarcini opuse și, prin urmare, potențialul zeta rezultat din PF127/TMC/PEG-HA este similar cu potențialul zeta al formulării doar cu PF127.

Studiul FTIR al hidrogelurilor încărcate cu medicamente

Figura 10 prezintă vârfurile FTIR caracteristice ale hidrogelului PF127/TMC/PEG-HA încărcat cu acid galic în forma liofilizată (cm-1), iar aceste vârfuri sunt 3445 (întindere O-H), PF127, TMC, PEG-HA și acid galic); 2891 (întindere C-H), PF127, TMC, PEG-HA și acidul galic; 1644 (întindere C=O), TMC și PEG-HA; 1282 (întindere C-O-C), PF127, TMC și PEG-HA; 1110 (întindere simetrică C-C-O) PF127; 964 (întindere asimetrică C-C-O), PF127. Picuri caracteristice similare au fost observate din analiza FTIR a hidrogelului PF127 încărcat cu acid galic. Picurile FTIR ale hidrogelului PF127 încărcat cu acid galic în forma liofilizată sunt 3445 cm-1 (întindere O-H), PF127 și acid galic; 2891 cm-1 (întindere C-H), PF127 și acid galic; 1282 cm-1 (întindere C-O-C), PF127; 1110 (întindere simetrică C-C-O) PF127; și 964 (întindere asimetrică C-C-O), PF127. Picul larg găsit la 3445 cm-1 al ambelor formulări de hidrogeluri a sugerat că acidul galic a fost încărcat eficient în hidrogeluri.

Spectrele FTIR ale hidrogelurilor PF127 și PF127/TMC/PEG-HA cu răspuns dublu (pH/temperatură) încărcate cu medicamente.

Studiul de eliberare cumulativă

Studiul de eliberare a fost efectuat pentru a examina eliberarea acidului galic din hidrogelurile PF127/TMC/PEG-HA și PF127 în PBS 0,1 M (pH 7,4) și la 37 °C (Fig. 11). Ambele formulări au prezentat o eliberare bruscă a medicamentului (acid galic) într-o etapă inițială (în decurs de 5 ore), cu o eliberare a medicamentului de 64,60 % ± 1,112 și 50,31 % ± 0,411 pentru hidrogelurile PF127/TMC/PEG-HA și, respectiv, PF127. După 5 zile, s-a înregistrat o eliberare cumulativă a medicamentului de 87,61% ± 1,112 și 75,20% ± 0,112 și 75,20% ± 0.850 a fost înregistrat pentru hidrogelurile PF127/TMC/PEG-HA și, respectiv, PF127, ceea ce indică faptul că sistemul hidrogel modificat din PF127 cu TMC și PEG-HA a funcționat mai bine ca sistem de eliberare a medicamentelor. Modificările morfologice ale PF127/TMC/PEG-HA, cum ar fi interacțiunile inter-micelare îmbunătățite și o structură de rețea poroasă bine formată, au îmbunătățit eliberarea medicamentului în condiții de pH neutru.

Liberare cumulativă (%) de medicament (acid galic) din (A) PF127 și (B) hidrogeluri PF127/TMC/PEG-HA la pH 7,4 și 37 °C timp de 5 zile în soluție tampon PBS 0,1 (M). Datele reprezintă media experimentelor de eliberare în trei exemplare ± SD și ajustarea datelor de eliberare a medicamentului la trei modele diferite de viteză de ordinul zero, de ordinul întâi și Higuchi.

Figura 11 Valorile cumulative de eliberare a medicamentului (acid galic) din hidrogeluri sunt ajustate cu diferite modele cinetice de viteză (Fig. 11), iar constantele de viteză ale diferitelor modele de viteză pentru toate varietățile de hidrogeluri sunt tabelate în Tabelul 2. Ajustarea datelor de eliberare la diferite modele de viteză sunt exprimate în valori R2 (Fig. 11).

Modelul de viteză de ordin zero este dat de ecuația:

unde Qt este cantitatea cumulată de eliberare a medicamentului din hidrogel la timpul t (h), Qo este cantitatea inițială de medicament încărcat în hidrogel, iar k0 este constanta de viteză de ordin zero (sec-1). Rata de eliberare a medicamentului prin ecuația ratei de ordin zero este independentă de cantitatea inițială de medicament încărcată în hidrogel.

Modelul vitezei de ordinul întâi este dat de următoarea formă neliniară:

unde Qt este cantitatea cumulată de eliberare a medicamentului din hidrogel la timpul t (h), Qo este cantitatea inițială de medicament încărcată în hidrogel, iar k1 este constanta de viteză de ordinul întâi (sec-1). Rata de eliberare a medicamentului prin ecuația de viteză de ordinul întâi depinde de concentrația acestuia (cantitatea inițială de medicament încărcată în hidrogel).

Ecuația de viteză Higuchi sugerează eliberarea medicamentului din hidrogeluri prin metoda de difuzie, iar forma neliniară a ecuației de viteză Higuchi este:

unde Qt este cantitatea cumulată de eliberare a medicamentului din hidrogel la timpul t (h), iar kH este constanta Higuchi (sec-0.5).

Încadrarea datelor de eliberare în diferite modele de viteză (Fig. 11) indică faptul că viteza de eliberare a medicamentului din formulările hidrogelului urmează îndeaproape ecuația de viteză de ordinul întâi, deoarece atât hidrogelurile PF127 încărcate cu acid galic, cât și PF127/TMC/PEG-HA prezintă valori R2 de 0,990, care sunt mai mari decât cele obținute din alte modele de viteză utilizate în acest studiu. Prin urmare, rata de eliberare a medicamentului din hidrogeluri depinde de concentrația inițială a medicamentului încărcat în hidrogeluri. După cum se constată în tabelul 2, k1 (sec-1) este mai mică decât alte constante de viteză pentru ambele varietăți de hidrogeluri și, astfel, eliberarea susținută a medicamentului din hidrogel urmează mai îndeaproape modelul de viteză de ordinul întâi decât orice alt model de viteză utilizat aici.

.