Stability and cell viability studies of silicon nanoparticles for drug delivery applications

Abstract

Denne studien har som mål å undersøke potensialet til porøse og ikke-porøse silisium nanopartikler (Si NPs), laget ved en ny syntesemetode, som medisinbærere med fokus på stabilitet og biokompatibilitet. Denne typen nanomaterialer kan kombineres med aktive farmasøytiske ingredienser (API), noe som da blir referert til som nanomedisin. Nanomedisin gjør det mulig å kontrollere legemidlers’ skjebne i menneskekroppen og har et enormt potensial for å forbedre medikamentbehandling av en rekke pasienter.

Utvikling av en nanopartikulær medisinbærer av et ikke-toksisk materiale som er selv-eliminerende og enkelt kan modifiseres for essensielle egenskaper som 1) frigjøringshastighet av API, ofte assosiert med nedbrytning av bærermaterialet, 2) romlig-temporal kontroll av API akkumulering for å redusere bivirkninger utenfor målvevet, og 3) enkel transport av dårlig oppløselig API som også er beskyttet mot nedbrytning. Det er blitt vist at porøst silisium har de ønskede egenskapene for medisinbærere som iboende biologisk nedbrytbarhet og biokompatibilitet. Et litteraturstudie avdekket flere materialegenskaper til Si NPer som påvirker dens oppløsningsstabilitet, for eksempel størrelse, porøsitet, krystallinitet og overflatebehandling. Mediet som NP blandes i for å måle stabilitet ble funnet å ha sterk påvirkning på stabiliteten, med økende stabilitet observert ved lav pH.

I den eksperimentelle delen av denne studien ble den pH-avhengige stabiliteten til porøse og ikke-porøse sfærisk Si NPer med en diameter på 80-100 nm (heretter referert til som IFE Si NPer), laget i en ny syntesevei av forskere ved Institutt for Energiteknikk (IFE), studert. Økende pH i miljøet ble funnet til å redusere stabiliteten til begge partikkeltypene observert ved økende hydrodynamisk diameter målt ved dynamic light scattering (DLS), samt dannelse av større strukturer sett ved scanning electron microscopy (SEM). De ikke-porøse partiklene hadde overlegen stabilitet sammenlignet med de porøse partiklene med en størrelsesøkning sett ved pH så lavt som 8 og 7 for henholdsvis ikke-porøse og porøsepartikler. Økende partikkelstørrelse er blitt forklart ved aggregering av partikler eller deponering av silika fra oppløst silisium. Begge disse prosessene kan påvirke ytelsen til systemet ved å forstyrre frigjørelse av medikamentet i tillegg til å gi komplikasjoner for intravenøs administrasjon av medikamentløsningen. På en annen side kan pH-avhengig nedbrytning benyttes til stimuli-responderende medikamentfrigjøring.

In vitro cytotoksisitetsstudier avdekket lav toksisitet av begge typer IFE Si NPer til KPC og PC3 cellelinjer med et minimum på 50% cellelevedyktighet observert ved opp til 1 mg/ml NP eksponering over 48 timer. Ulik toksisitetsrespons ble observert for de to partikkeltypene. De ikke-porøse partiklene viste konsentrasjonsavhengig toksisitet og de porøse partiklene var mindre giftige og viste en tidsavhengig toksisitetsrespons, noe som understreker den sensitive sammenhengen mellom NP struktur og toksisitet.

For å konkludere er den nye syntesemetoden vist å produsere både ikke-porøse og porøse Si NPer som er egnet for bruk som medisinbærere når det gjelder stabilitet og toksisitet. Porøse partikler hadde overlegne egenskaper når det gjaldt rask oppløsning, pH-avhengig stabilitet og lavere toksisitet, i tillegg til at den mesoporøse strukturen er ideell for transport av en rekke ulike typer API.

The present study aims to assess the potential of porous and non-porous silicon nanoparticles (Si NPs), created by a novel synthesis route, as drug delivery vehicles in terms of stability and biocompatibility. These kinds of nanomaterials can be combined with active pharmaceutical ingredients (API), which then are referred to as nanomedicine. Nanomedicine allows for controlling the in vivo destiny of the drug and has tremendous potential in improving treatment for a wide range of patients.

Developing a nanoparticulate drug carrier of non-toxic material that is self-eliminating and easily modified for essential properties like 1) drug release rate, often associated with carrier material dissolution, 2) spatiotemporal control of drug accumulation to reduce offtarget toxic effects, and 3) delivery of poorly soluble API that is protected from degradation. Porous silicon has been shown to possess the desired properties for drug delivery such as inherent biodegradability and biocompatibility. A thorough literature review revealed several material properties of Si NPs affecting its dissolution stability, such as size, porosity, crystallinity and surface treatments. The media of NP immersion was also found to affect stability, with increasing stability seen in more acidic environments.

In the experimental part of the present study the pH-dependent stability of porous and non-porous spherical Si NP with a diameter of 80-100 nm (herein referred to as the IFE Si NPs), created by a novel synthesis route by researchers at the Institute for Energy Technology (IFE) is studied. Increasing environmental pH is found to decrease the stability of both particle types observed as increasing hydrodynamic diameter measured by dynamic light scattering (DLS), as well as formation of larger structures seen by scanning electron microscopy (SEM). The pristine particles proved to have superior stability compared to the porous particles with a size increase seen as low as pH 8 and 7 for pristine and porous particles, respectively. Increasing particle size can be explained by particle aggregation or silica deposition of dissolved silicon species, and might affect the performance of the drug delivery system by interfering with the the drug release process in vivo as well as giving pre-administration solution complications. On the other hand, pH-dependent degradation might be utilized for stimuli-responsive drug release.

In vitro cytotoxicity studies revealed low toxicity of both the porous and non-porous IFE Si NPs to KPC and PC3 cell lines with a minimum of 50% cell viability of up to 1mg/mL NP exposure over 48 hours. Different toxicity profiles of the two particle types were also observed, with the porous particles generally reported as less toxic. Thep ristine particles showed concentration-dependent toxicity and porous particles showed a timedependent toxicity response, emphasizing the sensitive structure-toxicity relationships of NPs for which the cellular mechanisms remain a mystery.

Conclusively, the novel synthesis method is shown to produce pristine and porous Si NPs suitable for use in drug delivery systems in terms of stability and in vitro biocompatibility. Porous particles show superior properties in terms of fast dissolution, pH-dependent stability and lower toxicity, in addition to the mesoporous structure being ideal for loading of a variety of API.