En ny ligetil måde at lave en injicerbar gel, der er i stand til at frigive flere lægemidler med specifikke hastigheder, forbedrer skalerbarheden og adgangen til teknikken, ifølge en undersøgelse fra University of Michigan.
Lavet af naturlige eller syntetiske polymerer med et højt vandindhold, hydrogelmikropartikler – kaldte mikrogeller – måling omkring 1 til 100 mikrometer bred og indkapsler endnu mindre lægemiddelpartikler.
Ved at indstille mikrogelegenskaber såsom partikelstørrelse, hævelsesadfærd eller i hvilken grad gelmolekyler er tværbundne, kan forskere nøjagtigt kontrollere frigivelsen af indkapslede lægemidler-kendt som programmerbar levering.
“En mikrogelsuspension opfører sig delvis som et fast stof med den kontrollerede levering og delvis som en væske med dens fleksibilitet, hvilket gør det til en ideel form for injektioner,” sagde Albert Liu, en adjunkt i kemiteknik, makromolekylær videnskab og teknik og materialevidenskab og teknik ved UM og svarende forfatter til undersøgelsen offentliggjort i Chem & Bio Engineering.
En enkelt injektion, der indeholder flere tidsbestemte lægemiddeludgivelser, hjælper med at minimere invasivitet under komplekse medicinske behandlinger. I visse kræftbehandlinger kunne en mikrogelinjektion levere et hurtigtvirkende lægemiddel til at ødelægge kræftceller, et lægemiddel med vedvarende frigivelse for at hæmme udvikling af blodkar omkring en tumor og et lægemiddel med forsinket frigivelse til bekæmpelse af bivirkninger eller tumorresponser.
Op til dette punkt blev mikrogeller lavet ved omhyggeligt at udvikle kovalente bindinger – to atomer, der deler elektroner – til nøjagtigt tidsformidling. Mens det er fint kontrolleret, kræver den komplekse tilgang specialiserede kemikalier og udstyr, hvilket gør det vanskeligt for industrier eller mindre akademiske laboratorier at fremstille dem.
Forskningsteamet udviklede en enklere, alternativ strategi til at fremstille injicerbare mikrogeller ved hjælp af ioniske bindinger – interaktioner mellem ladede ioner, der er lettere at bryde end kovalente bindinger.
“Vi kan med sikkerhed sige, at dette er en af de enkleste måder at syntetisere mikrogeller med høj reproducerbarhed. Alt hvad du behøver er et tilstrækkeligt størrelse rør, en nål og adgang til en centrifuge,” sagde Sungwan Park, en doktorstuderende i kemiteknik ved UM og medforfatter til undersøgelsen.
Processen kombinerer først alginat – et naturligt forekommende kulhydrat i brune alger som Kelp – med calcium til at danne en mikrogel. Efter syntese erstatter behandlingen af mikrogelen i bade med forskellige ioner som magnesium eller natrium den stramme binding mellem calcium og alginat med en binding, der er lettere at bryde.
Justering af faktorer som varigheden af ionbadekonkuering og koncentrationen af ionbadet ringer nøjagtigt i forholdet mellem calcium og magnesium- eller natriumioner inden for de resulterende mikrogeller. Dette dikterer maskestørrelsen på polymergelen, der styrer lægemiddelfrigørelseshastigheden. Ved at blande og matche forskellige post-syntetiserede ioniske udvekslede mikrogeller i større gelkapsler, kan adskillige forprogrammerede frigivelsesprofiler opnås på én gang.
Kraftige mikroskopiteknikker hjalp med at karakterisere mikrogelfysiske egenskaber, der påvirker lægemiddelfrigørelsestider som overfladefremhed, jævnheden i ionfordeling eller hævelsesadfærd.
“Parameterrummet er enormt, og jeg er sikker på, at vi kan fortsætte med at optimere metoden yderligere. For eksempel kunne forskellige faktorer, der ikke er testet, som alginatkoncentrationen, eller hvor hurtigt vi drejer røret, også bruges til fint at justere mikrogelegenskaber,” sagde Jihpeng Sun, en doktorstuderende i kemisk teknik ved UM og co-lead forfatter til undersøgelsen.
Forskningsteamet demonstrerer profiler med lægemiddelfrigørelse ved at indkapsle farverige testlægemidler inden for mikrogelen for nem sporing. Undersøgelsen af mikrogeller med både et enkelt lægemiddel og en blanding af medikamenter viser undersøgelsen, hvordan varierende ionbytterbehandlinger og lægemiddelguler opnår programmerbare frigørelsesmønstre.
“Vi håber, at enkelheden i denne metode kan hjælpe alle, der er interesseret i kontrolleret lægemiddelafgivelsesopsamling, og udføre denne metode uden at skulle købe dyre udstyr eller bruge tid på fejlfinding,” sagde Liu.
Fiona Nikolla – en gymnasiestudent ved Gene L. Klida Academy for International Studies in Sterling Heights, Michigan – bidrog også til denne undersøgelse.