Influence of Inorganic Nanoparticles on Drug Release from Stimuli-Responsive Nanogels

Abstract

Målrettet medisinering er et lovende alternativ til systemisk kreftbehandling, som har potensiale til å øke den terapeutiske effekten og redusere bivirkninger. Stimuli-responsive nanogeler som er inkorporert med uorganiske nanopartikler er lovende legemiddeltransportører, da de kan laste store mengder legemidler som kan frigjøres som respons på stimuli. Imidlertid er det utfordringer knyttet til å kontrollere frigjøringen, noe som begrenser den kliniske anvendeligheten. I dette prosjektet ble jernoksid-nanoklynger og gullnanopartikler inkorporert i nanogeler som var syntetisert fra akrylamid og akrylsyre, for å undersøke frigjøringen som respons på stimuli. Hovedmålet for oppgaven var å kunne kontrollere frigjøringen eksternt. Varmeeffektiviteten til de magnetiske nanopartiklene ble optimalisert, og stimuli-responsen til nanogeler med ulike synteseparametere ble undersøkt. Ett hydrofobt og ett hydrofilt modell-legemiddel ble lastet, og frigjøringseksperimenter ble utført under statiske og pulserende forhold. Effekten av magnetisk oppvarming fra jernoksid-nanopartiklene på frigjøringen ble undersøkt ved bruk av et alternerende magnetfelt påført av en nanoTherics magneTherm.

De magnetiske nanopartikler hadde høy varmeeffektivitet ved bruk av klinisk relevante grenser for det alternerende magnetfeltet. Alle nanogelene kollapset som respons på økt temperatur, redusert pH og en kombinasjon av begge, og var i stand til å laste begge legemidlene. De magnetiske og optiske egenskapene til de uorganiske nanopartiklene var bevart etter inkorporering i nanogelene, men inkorporeringen av de magnetiske nanopartiklene var utfordrende. Som et resultat ble ingen økt frigjøring av legemiddelene observert ved bruk av det alternerende magnetfeltet. Frigjøringen i magneTherm var begrenset på grunn av utfordringer med oppsettet, men ekstern endring av temperatur og pH førte til en liten økning i frigjøringen, og ga en frigjørings-kinetikk nær nulte orden. Likevel var frigjøringen upålitelig, med en betydelig lekkasje av legemidler i fravær av stimuli.

De eksperimentelle resultatene antyder at systemet har potensial for å bli brukt til målrettet legemiddellevering, men det er fortsatt behov for forbedret inkorporering av de magnetiske nanopartiklene for å oppnå økt varmegenerering, samt utføring av flere studier på frigjøringen for å oppnå et mer pålitelig system med mer kontrollert frigjøring. Disse aspektene bør være fokus for fremtidige undersøkelser.

Targeted drug delivery is a promising alternative to systemic cancer treatment, having the potential to improve the therapeutic effect and decrease side effects. Stimuli-responsive nanogels incorporated with inorganic nanoparticles are promising as drug carriers, having the ability to load large amounts of drugs that can be released in response to stimuli. However, there are challenges with obtaining a controlled release, currently limiting their clinical applicability. In this project, iron oxide nanoclusters and gold nanoparticles were incorporated into nanogels synthesized from acrylamide and acrylic acid to investigate the release in response to stimuli. The main objective was to obtain an externally controlled release. The heating efficiency of the magnetic nanoparticles was optimized and the stimuli-responsiveness of nanogels with different synthesis parameters was investigated. One hydrophobic and one hydrophilic model drug was loaded, and release experiments were conducted under both static and pulsed conditions. The effect of magnetic heating from iron oxide nanoparticles on the release was examined by applying an alternating magnetic field using the nanoTherics magneTherm.

Clinically relevant alternating magnetic field limits were used to obtain high heating efficiencies for the magnetic nanoparticles, presumably because of interactions between the particles in the clusters or reduced surface oxidation. All the nanogels collapsed in response to an increase in temperature, decrease in pH, and the combination of both, and were able to load both the hydrophobic and hydrophilic drug. Magnetic and optical properties of the inorganic nanoparticles were conserved when incorporated into the nanogels, but the incorporation of the magnetic nanoparticles proved challenging. Consequently, applying an alternating magnetic field did not increase the drug release. The release studies in the magneTherm were limited due to difficulties with the set-up, but there was generally a small increase in release upon externally changing the temperature and pH, and several studies had kinetics close to zero-order. Still, there was a high leakage of drugs in the absence of stimuli, resulting in unreliable release.

The experimental results suggest that the system has a potential for targeted drug delivery. However, there is a need for improved incorporation of the magnetic nanoparticles for increased heat generation and more release studies to obtain a more reliable system with a controllable release. These aspects should be the focus of potential future work.