Freisetzung kleiner Moleküle aus Eisenoxid-Polymer Kern-Schale Komposit-Nanopartikeln durch Niedrigenergie-Radiowellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergreifende Ziel dieses Projektes war es ein durch Radiofrequenz (RF) adressierbares System zur Freisetzung kleiner Moleküle zu entwickeln, das auf einer mechanischen Agitation der Polymerschalen von RF-empfindlichen Fe3O4 Nanopartikeln (NP) basiert. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde dies durch das Verfolgen von drei Hauptzielen implementiert: Ziel 1: Die Herstellung von Eisenoxid-Polymer Kern-Schale NP mit unterschiedlichen Größen durch verschiedene Polymer-Immobilisierungsstrategien als Nanoträger für diverse kleine Moleküle. Ziel 2: Das Erlangen des Verständnisses der mechanischen Eigenschaften und Integrität der Polymerschalen unter Bestrahlung mit RF. Ziel 3: Die Untersuchung der Beladung und Freisetzung von den kleinen Molekülen aus hergestellten Nanoträgern unter Anwendung der RF-Bestrahlung. Im ersten Teil des Projekts wurden verschiedene Eisenoxid-Polymer Nanokomposite mit Fe3O4 Kern in einer Größe von d=20 nm hergestellt, da angenommen wurde, dass die Fe3O4 NP mit einem Durchmesser von d>15 nm bei ihrem Versuch sich an dem magnetischen Wechselfeld (AMF) auszurichten zittern würden. Die zusätzliche kinetische Energie sollte die Polymerschicht in Bewegung bringen und so die Freisetzung von Wirkstoffen aus der Schale ohne unerwünschte Wärmeentwicklung ermöglichen, welches üblicherweise für die Fe3O4 NP mit d<15 nm beobachtet wird. Stabilitätsstudien von den NP unter AMF wurden an Fe3O4-PEG, Fe3O4-Ner-PEG, Fe3O4-PMAO-PEG und Fe3O4-P(PEGMA) Nanokompositen durchgeführt, um ihr mechanisches Verhalten und die damit verbundenen molekularen Freisetzungsprozesse zu verstehen. Die Proben wurden RF für unterschiedliche Zeiten ausgesetzt. Dabei ist hervorzuheben, dass in keinem Fall eine unerwünschte Wärmeerzeugung festgestellt wurde, was auf die bevorzugte mechanische Aktivierung der magnetischen NP hinweist. Anschließend wurden die zwei stabilsten Systeme für weitere Studien zur Wirkstoffbeladung und -freisetzung unter angewandter RF ausgewählt. Es wurden Fe3O4-PEG und Fe3O4-PMAO-PEG mit unterschiedlichen Molekulargewichten von Polymeren getestet. Doxorubicin wurde, wegen seiner Fluoreszenzeigenschaften, als Modellmolekül für Fe3O4-PEG Nanokomposite verwendet. Fe3O4-PMAO-PEG Nanokomposite wurden aus einer zusätzlichen hydrophoben Schicht (PMAO) hergestellt, um die Wirkstoffe effizienter einzubauen. Als Lademolekül wurde in diesem Fall hydrophobes Curcumin benutzt. Zusammenfassend wurde nachgewiesen, dass die Fe3O4 NP mit d>15 nm die umgebende Polymerschicht bewegt haben, was zur Freisetzung von eingelagerten Wirkstoffmolekülen ohne unerwünschte Wärmeentwicklung führte. Dieses Phänomen war zeitabhängig und unterschied sich mit der Variation der Molekülmasse von PEG und seiner Art der Immobilisierung sowie der Frequenz des AMF. Wir haben gezeigt, dass die PEG-Ketten vom Fe3O4 Kern gelöst wurden und durch die mechanische Aktivierung eine Spaltung der Ketten erfolgte. Diese Ergebnisse helfen den Mechanismus zu verstehen, der die PEG- Ablösung von Fe3O4 NP unter einem Magnetfeld mit RF zugrunde liegt. Die Resultate implizierten, dass die Kern-Schale Fe3O4 PEG Nanokomposite mit dem Kern von d>15 nm keine hohen Temperaturen unter RF erzeugten und sie somit ein vielversprechender Nanoträger von Medikamenten sein könnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Brownian Relaxation Shakes and Breaks Magnetic Iron Oxide‐Polymer Nanocomposites to Release Cargo. Small, 20(4).
Izak‐Nau, Emilia; Niggemann, Louisa P. & Göstl, Robert
