Análisis termogravimétrico

Hidrogeles de nanocompuestos físicos mecánicamente sintonizables a partir de nanopartículas de sílice con plantilla de complejo polielectrolítico para la administración terapéutica aniónica

Los enlaces de autor abren el panel de superposiciónGeorge Newham un,Stephen D. Evans un,Zhan Yuin Ong a b

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https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.02.052Obtener derechos y contenido

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Abstracto

Los hidrogeles se han mostrado muy prometedores para la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos, pero pueden verse limitados en aplicaciones prácticas por un rendimiento mecánico deficiente. La incorporación de nanopartículas de sílice injertadas con polímeros como reticulantes químicos o físicos en hidrogeles de nanocompuestos polimerizados se ha investigado ampliamente para mejorar sus propiedades mecánicas. A pesar de la rigidez mecánica mejorada, la resistencia a la tracción y las propiedades de autorreparación, sigue existiendo la necesidad de desarrollar enfoques más simples y modulares para obtener hidrogeles nanocompuestos. En este documento, informamos un protocolo sencillo para el polielectrolito. situsíntesis compleja (PEC) de nanopartículas de sílice funcionalizadas con poli(etilenimina) híbridas orgánico-inorgánicas (PEI-SiNP) y su uso como reticuladores electrostáticos multifuncionales con ácido hialurónico ( HA ) para formar hidrogeles nanocompuestos. Tras la mezcla, las interacciones electrostáticas entre los PEI-SiNP catiónicos y el HA aniónico dieron como resultado la formación de un hidrogel de nanocompuesto coacervado con una rigidez mecánica mejorada que se puede ajustar variando las proporciones de PEI-SiNP y HA presentes. Las interacciones electrostáticas reversibles dentro de las redes de hidrogel también permitieron propiedades tixotrópicas y de autorreparación. El exceso de carga positiva presente dentro de los PEI-SiNP facilitó una alta carga y retrasó la liberación del fármaco aniónico anticancerígeno metotrexato.del hidrogel nanocompuesto. Además, se descubrió que la complejación electrostática de PEI-SiNP y HA mitiga los problemas de hemotoxicidad asociados con el uso de PEI de alto peso molecular . El método presentado aquí ofrece una estrategia más simple y más versátil para la fabricación de hidrogeles de nanocompuestos coacervados con rigidez mecánica ajustable y propiedades de autorreparación para aplicaciones de administración de fármacos.

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abreviaturas

SiNP

nanopartícula de sílice

PEI

Polietilenimina

JA

Ácido hialurónico

PEI-SiNP

Nanopartícula de sílice funcionalizada con polietilenimina

PEC

Complejo de polielectolitos

Glú

Ácido glutamico

MTX

metotrexato

CTAB

bromuro de cetrimonio

AAP

Ácido poliacrílico)

Argentina

l-Arginina

TEÓS

tetraetoxisilano

CBBG

Coomassie azul brillante

API

isopropanol

DLS

Dispersión dinámica de la luz

TEM

Microscopio de transmisión por electrones

SEM

Microscopía electrónica de barrido

TGA

Análisis termogravimétrico

FTIR

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

1 . Introducción

Los hidrogeles son redes hinchadas de agua tridimensionales formadas a partir de la reticulación química o física de polímeros hidrofílicos . Su alto contenido de agua , porosidad, propiedades fisicoquímicas ajustables y capacidad para encapsular fármacos y células los hacen valiosos para una amplia gama de aplicaciones biológicas, como ingeniería de tejidos [1] , geles bioadhesivos y cicatrización de heridas [2] , y suministro terapéutico [3] . ] . Sin embargo, la traducción exitosa de muchos sistemas de hidrogel se ha visto limitada por propiedades mecánicas deficientes, como rigidez insuficiente, fragilidad, y falta de propiedades de autorreparación debido a la distribución heterogénea de puntos de entrecruzamiento y la incapacidad de las redes de hidrogel para disipar energía [4] , [5] .

Para mejorar las propiedades mecánicas y conferir funcionalidades añadidas, los hidrogeles nanocompuestos que incorporan nanopartículas de sílice (SiNPs) [6] , [7] , [8] , nanopartículas poliméricas [9] , nanopartículas de oro [10] , nanopartículas de óxido de hierro [11] , y Se han utilizado nanotubos de carbono [12] . Entre los diversos tipos de nanopartículas, los SiNP son los más prometedores para mejorar el rendimiento mecánico de los hidrogeles de nanocompuestos en aplicaciones biomédicas debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad inherentes., estabilidad coloidal y facilidad de síntesis. Los métodos más comunes para preparar hidrogeles de nanocompuestos mecánicamente robustos incluyen la reticulación química y/o física de SiNP con gelificadores poliméricos . En los hidrogeles de nanocompuestos reticulados químicamente, los SiNP modificados en la superficie se utilizan normalmente para el injerto covalente de polímeros a través de la polimerización por radicales libres o para la reticulación con polímeros que tienen grupos funcionales complementarios a través de la foto-reticulación de metacrilatos , enlaces tiol-tiol y aldehído-amina [8] , [13] , [14] , [15] , [16] , [17] . Yanget al.informaron hidrogeles nanocompuestos resistentes y elásticos formados por el injerto covalente in situ de poli(ácido acrílico) (PAA) a partir de SiNP funcionalizados con vinilo [8] . Los SiNP con puente de polímero actuaron como puntos de reticulación multifuncionales, lo que permitió el desenredado dinámico de las cadenas de PAA para facilitar la disipación de energía durante la deformación. Aunque se obtuvieron hidrogeles duros y flexibles, los hidrogeles entrecruzados químicamente predominantemente formados a través de enlaces covalentes permanentes tienden a carecer de las propiedades tixotrópicas y de autorreparación que son deseables para las aplicaciones biomédicas in vivo .

En los hidrogeles de nanocompuestos físicos, los SiNP se incorporan a la red a través de interacciones electrostáticas , interacciones hidrofóbicas , enlaces de hidrogel y/o fuerzas de Van der Waal [6] , [18] , [19] , [20] . Aunque los SiNP pueden incorporarse simplemente en formulaciones físicas de hidrogel sin ninguna interacción intermolecular o reticulación diseñadas, tales sistemas han producido un refuerzo mecánico débil [21] , [22] . Por el contrario, el diseño de SiNP injertados con polímeros como reticuladores físicos para la interacción con cadenas de polímeros confiere atributos mecánicos deseables. Zheng et al.informó el uso de SiNP modificados con poli(2-dimetilaminoetil metacrilato) (SiO 2 @PDMAEMA) como agentes de reticulación multifuncionales en una red de PAA polimerizada in situ [6] . Las interacciones electrostáticas entre SiO 2 @PDMAEMA y PAA dieron como resultado un hidrogel nanocompuesto supramolecular con alta resistencia a la tracción y propiedades de autorreparación. También se han informado hidrogeles de nanocompuestos reticulados ternarios formados a partir de la copolimerización in situ de monómeros de acrilamida y metacrilato de estearilo en SiNP funcionalizados con vinilo [20] . En este sistema, la red de hidrogel está formada por enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas entre las cadenas de copolímeros injertados y enlaces covalentes entre los SiNP. A pesar de las propiedades mecánicas mejoradas observadas para los hidrogeles de nanocompuestos reticulados de SiNP antes mencionados, la necesidad de monómeros, iniciadores y catalizadores tóxicos y/o las altas temperaturas para el proceso de polimerización in situ pueden limitar las aplicaciones biológicas y la carga de fármacos térmicamente lábiles [8] , [ 20] . Además, el secuestro de radicales libres por los SiNP durante la polimerización por radicales libres también podría afectar la reproducibilidad de la síntesis de hidrogel y las propiedades mecánicas [23] . La síntesis actual de laLos reticuladores de SiNP injertados con cepillo de polímero también requieren múltiples pasos que involucran la síntesis de Stöber de los SiNP, seguida de la modificación de la superficie, lo que podría aumentar el tiempo y el costo de producción [6] , [8] . Por lo tanto, existe la necesidad de un enfoque más simple y modular para producir hidrogeles de nanocompuestos con rigidez mecánica ajustable y propiedades de autorreparación para aplicaciones biomédicas.

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