Нанокапсула
Нанокапсула нетоксичного — это наноразмерная оболочка, изготовленная из полимера . Это везикулярные системы, состоящие из полимерной мембраны, которая инкапсулирует внутреннее жидкое ядро на наноуровне. Нанокапсулы имеют множество применений, в том числе многообещающие медицинские применения для доставки лекарств, улучшения пищевых продуктов, нутрицевтиков и самовосстанавливающихся материалов. Преимущества методов инкапсуляции заключаются в защите этих веществ от воздействия неблагоприятной окружающей среды, в контролируемом высвобождении и в точном нацеливании. [1] под контролем МРТ Нанокапсулы потенциально могут быть использованы в качестве нанороботов или нанороботов , хотя проблемы остаются. [2]
Полая наночастица, состоящая из твердой оболочки, окружающей ядро, образующее ядро.
пространство, доступное для улавливания веществ. [3]
Структура
[ редактировать ]Типичный размер нанокапсулы, используемой для различных приложений, колеблется в пределах 10-1000 нм. Однако в зависимости от приготовления и использования нанокапсулы размер будет более конкретным. [4]
Структура нанокапсулы состоит из нановезикулярной системы, сформированной по схеме ядро-оболочка. Оболочка типичной нанокапсулы выполнена из полимерной мембраны или покрытия. Тип используемых полимеров — биоразлагаемый полиэфир, поскольку нанокапсулы часто используются в биологических системах. Поли-е-капролактон (PCL), поли(лактид) (PLA) и поли(лактид-когликолид) (PLGA) являются типичными полимерами, используемыми при формировании нанокапсул. [5] Другие полимеры включают тиолированный поли(метакриловую кислоту) и поли(N-винилпирролидон). [6] Поскольку синтетические полимеры оказались более чистыми и воспроизводимыми по сравнению с природными полимерами, их часто предпочитают для изготовления нанокапсул. Однако некоторые полимеры природного происхождения, такие как хитозан , желатин , альгинат натрия и альбумин , используются в некоторых нанокапсулах для доставки лекарств. [4] Другие оболочки нанокапсул включают липосомы , [7] наряду с полисахаридами и сахаридами . Полисахариды и сахариды используются благодаря их нетоксичности и биоразлагаемости . Они привлекательны в использовании, поскольку напоминают биологические мембраны. [8]
Ядро нанокапсулы состоит из масляного поверхностно-активного вещества, которое специально выбрано для координации с выбранным лекарственным средством внутри полимерной мембраны. Конкретное используемое масло должно хорошо растворяться в препарате и нетоксично при использовании в биологической среде. Эмульсия масло-лекарственное средство должна иметь низкую растворимость в полимерной мембране, чтобы гарантировать, что лекарственное средство будет правильно переноситься по всей системе и высвобождаться в нужное время и в нужном месте. При получении правильной эмульсии препарат должен равномерно диспергироваться по всей внутренней полости полимерной мембраны. [4]
Обработка
[ редактировать ]Метод капсулирования зависит от требований, предъявляемых к тому или иному лекарственному средству или веществу. Эти процессы зависят от физико-химических свойств материала сердцевины, материала стенок и требуемого размера. [1] Наиболее распространенными способами получения нанокапсул являются наноосаждение. [9] эмульсионная диффузия и испарение растворителя.
В методе наноосаждения, также называемом методом замещения растворителя, нанокапсулы образуются путем создания коллоидной суспензии между двумя отдельными фазами. Органическая фаза состоит из раствора и смеси органических растворителей. Водная фаза состоит из смеси нерастворителей, образующих поверхностную пленку. Органическую фазу медленно вводят в водную фазу, которую затем перемешивают с образованием коллоидной суспензии. После образования коллоидной суспензии ее перемешивают до тех пор, пока не начнут формироваться нанокапсулы. Размер и форма нанокапсулы зависят от скорости инъекции, а также скорости перемешивания. [5]
Другим распространенным способом приготовления нанокапсул является метод эмульсионной диффузии. Этот метод состоит из трех фаз: органической, водной и фазы разбавления. В этом методе органическую фазу добавляют к водной фазе в условиях сильного перемешивания, что приводит к образованию эмульсии. Во время этого процесса к эмульсии добавляется вода, которая вызывает диффузию растворителя. Результатом такой эмульсионной диффузии является образование нанокапсул. [5]
Испарение растворителя — еще один эффективный метод приготовления нанокапсул. В этом процессе из растворителей образуются одиночные или двойные эмульсии, которые используются для приготовления суспензии наночастиц. Высокоскоростная гомогенизация или обработка ультразвуком используются для формирования частиц небольшого размера в суспензии наночастиц. Когда суспензия становится стабильной, растворители выпаривают, используя либо непрерывное магнитное перемешивание при комнатной температуре, либо путем снижения давления окружающей среды. [4]
В таблице ниже показано, как нанокапсулы проявляют различные свойства в зависимости от метода их приготовления. Типы нанокапсул различаются по размеру, концентрации препарата и времени высвобождения активного вещества. [ нужна ссылка ]
| Средний размер (нм) [ сомнительно – обсудить ] | Концентрация препарата в разбавленной дисперсии (мг/мл) [5] | Концентрация препарата в концентрированной дисперсии (мг/мл) [5] | Время высвобождения активного вещества (90%) (мин) [5] | |
|---|---|---|---|---|
| Наноосаждение | 250 | 0.002–0.09 | 0.15–6.5 | 750 |
| Эмульсия-диффузия | 425 | ~0.2 | 50 | 60 |
| Двойная эмульгация | 400 | 2–5 | 20–50 | 45 |
| Коацервация эмульгирования | 300 | ~0.24 | 12 | >2000 |
Проблемы с обработкой и решения
[ редактировать ]Нанокапсулы имеют тенденцию агрегировать и становиться нестабильными. Таким образом, вещества внутри капсул могут вытекать. Чтобы контролировать нестабильность, нанокапсулы можно сушить либо распылительной сушкой , либо сублимационной сушкой (лиофилизация). [10] ). [1]
Распылительная сушка – растворы распыляются в сушильную среду. Этот метод более широко используется в пищевой промышленности и используется для капсулирования многих пищевых продуктов, таких как ароматизаторы, минералы, красители и витамины. Этот метод делает нанокапсулы более стабильными и увеличивает срок хранения пищевых продуктов. [1]
Сублимационная сушка. Этот процесс включает обезвоживание термочувствительных материалов. В отличие от распылительной сушки, вода удаляется в процессе сублимации без изменения структуры или формы наночастиц. Сублимационная сушка включает четыре состояния: замораживание, первичную сушку, вторичную сушку и хранение. Считается, что из-за нескольких этапов этот метод требует больше энергии и времени. [1]
Характеристики
[ редактировать ]Всасываемость
[ редактировать ]Соотношение сторон влияет на способность нанокапсулы проникать в опухолевые клетки. Капсулы с низким соотношением сторон (сферические капсулы) имеют тенденцию легче проникать в клетки, чем с высоким соотношением сторон (капсулы в форме стержня). [6]
Структура
[ редактировать ]Наноразмерная структура нанокапсул позволяет проникать через базальные мембраны, что делает их эффективными носителями лекарств в биологических системах. Специфическая обработка нанокапсул придает им уникальные свойства высвобождения лекарств в определенных ситуациях. Обычно существует три физико-химических механизма высвобождения, которые используются для высвобождения лекарственного средства или лекарства из полимерной оболочки нанокапсулы. [4]
Доставка
[ редактировать ]- Гидратация и диффузия. При этом механизме высвобождения нанокапсула набухает из-за эффекта гидратации. Как только нанокапсула набухнет до такой степени, что она растянется, полимерная мембрана позволит лекарству диффундировать через полимерную мембрану в биологическую систему. [4]
- Ферментативная реакция. Сначала необходимо выбрать полимерную оболочку, которая будет координироваться с ферментами, вырабатываемыми организмом человека, для проведения ферментативной реакции. Эта реакция приведет к разрыву полимерной мембраны, что позволит лекарству диспергироваться в системе. [4]
- Диссоциация лекарства. Лекарство диссоциирует из набухшей нанокапсулы и диффундирует в остальную часть клетки. [4]
Другие способы доставки: доставка веществ в медицинских целях.
[ редактировать ]Ближний инфракрасный свет: высвобождение лекарства происходит под действием тепла. Инфракрасная технология может проникать глубоко в тело и превращаться в тепло. Термочувствительный материал, в частности полимерная оболочка, разбухающая при нагревании, разрушается. Дефляционное действие — это то, что высвобождает лекарство. [7]
Магнитные поля: Магнитные стержни миллиметрового масштаба заключены в поливиниловый спирт. Магнитное поле внутри стержней меняется, что приводит к изменению формы и окончательному коллапсу нанокапсул. Изменение структуры затем вызывает высвобождение лекарства. [7]
Ультразвук. Другой вариант высвобождения лекарства — посредством ультразвука, который представляет собой «продольную волну давления». [7] Ультразвук может быть либо низкочастотным (LFUS) (от ~20 до ~100 кГц), либо высокочастотным (HFUS) (>1 МГц). Трансдермальная доставка ( сонофорез ) усиливается посредством LFUS, что затем позволяет высвободить лекарство. Поскольку волна HFUS выше, успех доставки лекарств был продемонстрирован в виде пузырьков. Пузырьки в капсуле образуются и схлопываются из-за более высоких температур волны. [7]
Некоторые другие способы включают пероральный, который является наиболее активным, назальный, чрескожный и через легкие. Оральный – самый распространенный и самый сложный. Требования к последовательному высвобождению сохраняются, хотя ведутся разработки в отношении лекарств, способных биоприкрепляться к кишечному тракту. Биоадгезия также рассматривается при назальной доставке, чтобы продлить жизнь препарата в носу. Наркотики также могут передаваться через кожу (трансдермально). Ингаляторы также представляют интерес, так как, например, лекарства от астмы состоят из макромолекул. В настоящее время ингаляционные системы нежелательны для пациентов, и есть надежда, что когда-нибудь в этой системе доставки появятся усовершенствования. [7]
Приложения
[ редактировать ]Рак
[ редактировать ]Создаются водорастворимые полимерные оболочки для доставки белка апоптина. [11] в раковые клетки. Белок проникает в ядро раковых клеток, оставляя здоровые клетки в покое, в отличие от других традиционных методов лечения, таких как генная терапия и химиотерапия. [12] Размер капсул составляет 100 нм. [12]
Активное нацеливание на раковые клетки также исследуется. Благодаря активному нацеливанию нанокапсулы образуют лиганды , которые связываются со злокачественными клетками для доставки клеток. Этот метод особенно полезен для тех лекарств, которые не так проницаемы через клеточную мембрану, а в тех случаях, когда ткани поражены, наночастицы могут легче связываться со злокачественными клетками. [7]
Использование продуктов питания
[ редактировать ]Наноинкапуляция в пищевых продуктах предполагает изменение текстуры, ароматизаторов, красителей и стабильность срока годности . [1]
Нутрицевтики
[ редактировать ]Нутрицевтики (из нутриентов + фармацевтических препаратов ) — это вещества, которые добавляются в пищу для улучшения питания. Повышенная биодоступность этих веществ зависит от размера наноносителя. Чем меньше наноноситель, тем лучше свойства доставки и растворимость нутрицевтиков; наноноситель способен легче проникать в кровоток, если он меньше. [1]
Липидные или полимерные (натуральные биоразлагаемые) используются для инкапсуляции нутрицевтиков. Типы используемых полимеров включают коллаген, желатин и альбумин. [1]
Абсорбция этилового спирта
[ редактировать ]Относительно новое исследование предполагает инкапсуляцию пищеварительных ферментов в нетоксичную полимерную оболочку. На лабораторных мышах было доказано, что наполненная ферментами нанооболочка поглощает этиловый спирт из кровотока, что приводит к снижению уровня алкоголя в крови. Был сделан вывод, что частицы действуют как органеллы, что дает другие преимущества ферментной терапии. Это открытие знакомит с другими исследованиями, такими как методы инкапсуляции при выпадении волос. [13]
Самовосстанавливающиеся материалы
[ редактировать ]Для таких материалов, как компоненты микроэлектроники , полимерные покрытия и клеи, нанокапсулы могут уменьшить повреждения, вызванные высокими нагрузками. Заживление трещин в этих материалах облегчается за счет диспергирования нанокапсул внутри полимера. Лечебные вещества включают дициклопентадиен (ДЦПД), который получают на месте внутри материала путем обработки ультразвуком. Наноинкапсулированный материал сначала эмульгируется внутри исходного материала путем создания самовосстанавливающейся эпоксидной смолы типа «масло в воде». Затем эмульгированный материал перемешивается внутри материала-хозяина с образованием частиц, которые затем связываются с материалом-хозяином. [14]
Проблемы использования
[ редактировать ]По состоянию на 2016 год [update], неизвестно, какое воздействие наноматериалы оказывают на здоровье человека и окружающую среду. Только оценка химического риска и токсичности с течением времени может подтвердить какие-либо последствия. Меры по тестированию в настоящее время недостаточны, а разрешение на использование наночастиц, особенно в пищевых продуктах, неоднозначно. [1]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Эжилараси, ПН; Картик, П.; Чханвал, Н.; Анандхарамакришнан, К. (2012). «Методы наноинкапсуляции пищевых биоактивных компонентов: обзор». Пищевые и биотехнологические технологии . 6 (3): 628–47. дои : 10.1007/s11947-012-0944-0 . S2CID 98381808 .
- ^ Вартоломеос, П.; Фрушард, М.; Феррейра, А.; Мавроидис, К. (2011). «Нанороботические системы под контролем МРТ для терапевтических и диагностических применений» . Анну Рев Биомед Инж . 13 : 157–84. doi : 10.1146/annurev-bioeng-071910-124724 . ПМИД 21529162 . S2CID 32852758 .
- ^ Верт, Мишель; Дои, Ёсихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Хесс, Майкл; Ходж, Филип; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргарита; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология биородственных полимеров и их применение (Рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377–410. doi : 10.1351/PAC-REC-10-12-04 . S2CID 98107080 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Нагаварма, БВН; Ядав, Хемант К.С.; Аяз, А; Васудха, Л.С.; Шивакумар, Х.Г. (2012). «Различные методы получения полимерных наночастиц – обзор» (PDF) . Азиатский журнал фармацевтических и клинических исследований . 5 (Приложение 3): 16–23.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Мора-Уэртас, CE; Фесси, Х.; Элаиссари, А. (2010). «Нанокапсулы на полимерной основе для доставки лекарств». Международный фармацевтический журнал . 385 (1–2): 113–42. doi : 10.1016/j.ijpharm.2009.10.018 . ПМИД 19825408 .
- ^ Jump up to: а б Шимони, Ольга; Ян, Ян; Ван, Яджун; Карузо, Фрэнк (2013). «Формазависимая клеточная обработка полиэлектролитных капсул» . АСУ Нано . 7 (1): 522–30. дои : 10.1021/nn3046117 . hdl : 11343/123306 . ПМИД 23234433 .
- Бель Дюме (21 декабря 2012 г.). «Форма нанокапсул имеет значение для доставки лекарств» . Нанотехвеб .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Тимко, Брайан П.; Уайтхед, Кэтрин ; Гао, Вэйвэй; Кохане, Дэниел С.; Фарохзад, Омид; Андерсон, Дэниел; Лангер, Роберт (2011). «Достижения в области доставки лекарств». Ежегодный обзор исследований материалов . 41 : 1–20. Бибкод : 2011AnRMS..41....1T . doi : 10.1146/annurev-matsci-062910-100359 .
- ^ Лонг, Ли-ся; Юань, Сюй-бо; Чанг, Цзян; Чжан, Чжи-хуа; Гу, Мин-ци; Сун, Тянь-Тянь; Син, Ин; Юань, Сяо-янь; и др. (2012). «Самосборка полимолочной кислоты и модифицированного холестерином декстрана в полые нанокапсулы». Углеводные полимеры . 87 (4): 2630–7. дои : 10.1016/j.carbpol.2011.11.032 .
- ^ «Словарь по нанотехнологиям – Нанопреципитация» .
- ^ http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/LYO/ [ нужна полная цитата ]
- ^ Питерсен, Александра; Нотеборн, Матье Х.М. (2000). «Апоптин». Генная терапия рака: прошлые достижения и будущие вызовы . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 465. стр. 153–61. дои : 10.1007/0-306-46817-4_14 . ISBN 978-0-306-46817-9 . ПМИД 10810623 .
- ^ Jump up to: а б Чжао, Муксун; Ху, Билианг; Гу, Чжэнь; Джу, Ке-Иль; Ван, Пин; Тан, Йи (2013). «Разлагаемая полимерная нанокапсула для эффективной внутриклеточной доставки высокомолекулярного опухолеселективного белкового комплекса». Нано сегодня . 8 : 11–20. дои : 10.1016/j.nantod.2012.12.003 .
- Билл Кислюк (7 февраля 2013 г.). «Нанокапсулы борются с раком, не нанося вреда здоровым клеткам» . Научно-техническая газета .
- ^ Лю, Ян; Ду, Хуанхуан; Ян, Мин; Лау, Мо Инь; Ху, Джей; Хан, Хуэй; Ян, Отто О.; Лян, Шэн; и др. (2013). «Биомиметические ферментные нанокомплексы и их использование в качестве антидотов и мер профилактики алкогольной интоксикации» . Природные нанотехнологии . 8 (3): 187–92. Бибкод : 2013НатНа...8..187Л . дои : 10.1038/nnano.2012.264 . ПМК 3670615 . ПМИД 23416793 .
- Майк Оркатт (17 февраля 2013 г.). «Нанокапсулы отрезвляют пьяных мышей» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г.
- ^ Блайшик, Б.Дж.; Соттос, Северная Каролина; Уайт, СР (2008). «Нанокапсулы для самовосстанавливающихся материалов». Композитные науки и технологии . 68 (3–4): 978–86. doi : 10.1016/j.compscitech.2007.07.021 .