Нанокапсула
Наноразмерная оболочка из полимера

Нанокапсула — это наноразмерная оболочка , изготовленная из нетоксичного полимера . Это везикулярные системы, изготовленные из полимерной мембраны, которая инкапсулирует внутреннее жидкое ядро ​​в наномасштабе. Нанокапсулы имеют множество применений, включая перспективные медицинские применения для доставки лекарств, улучшения пищевых продуктов, нутрицевтиков и для самовосстанавливающихся материалов. Преимущества методов инкапсуляции заключаются в защите этих веществ в неблагоприятных условиях, для контролируемого высвобождения и для точного нацеливания. [1] Нанокапсулы потенциально могут использоваться в качестве нанороботов или наноботов с МРТ-управлением , хотя проблемы остаются. [2]

Определение ИЮПАК

Полая наночастица, состоящая из твердой оболочки, которая окружает ядрообразующее
пространство, доступное для захвата веществ. [3]

Структура

Типичный размер нанокапсулы, используемой для различных применений, составляет от 10 до 1000 нм. Однако, в зависимости от приготовления и использования нанокапсулы, размер будет более конкретным. [4]

Структура нанокапсулы состоит из нановезикулярной системы, которая сформирована в структуре ядро-оболочка. Оболочка типичной нанокапсулы сделана из полимерной мембраны или покрытия. Тип используемых полимеров - биоразлагаемый полиэстер, поскольку нанокапсулы часто используются в биологических системах. Поли-e-капролактон (PCL), поли(лактид) (PLA) и поли(лактид-ко-гликолид) (PLGA) являются типичными полимерами, используемыми при формировании нанокапсул. [5] Другие полимеры включают тиолированную поли(метакриловую кислоту) и поли(N-винилпирролидон). [6] Поскольку синтетические полимеры оказались более чистыми и воспроизводимыми по сравнению с природными полимерами, их часто предпочитают для строительства нанокапсул. Однако некоторые природные полимеры, такие как хитозан , желатин , альгинат натрия и альбумин , используются в некоторых нанокапсулах для доставки лекарств. [4] Другие оболочки нанокапсул включают липосомы , [7] а также полисахариды и сахариды . Полисахариды и сахариды используются из-за их нетоксичности и биоразлагаемости . Они привлекательны для использования, поскольку напоминают биологические мембраны. [8]

Ядро нанокапсулы состоит из масляного поверхностно-активного вещества, специально подобранного для координации с выбранным лекарством внутри полимерной мембраны. Конкретное используемое масло должно быть хорошо растворимым в лекарстве и нетоксичным при использовании в биологической среде. Эмульсия масло-лекарство должна иметь низкую растворимость в полимерной мембране, чтобы гарантировать, что лекарство будет правильно переноситься по всей системе и высвобождаться в нужное время и в нужном месте. Когда получена правильная эмульсия, лекарство должно быть равномерно распределено по всей внутренней полости полимерной мембраны. [4]

Обработка

Метод инкапсуляции зависит от требований к любому данному лекарству или веществу. Эти процессы зависят от физико-химических свойств материала ядра, материала стенки и требуемого размера. [1] Наиболее распространенными способами получения нанокапсул являются нанопреципитация, [9] эмульсионная диффузия и испарение растворителя.

В методе нанопреципитации, также называемом методом вытеснения растворителя, нанокапсулы образуются путем создания коллоидной суспензии между двумя отдельными фазами. Органическая фаза состоит из раствора и смеси органических растворителей. Водная фаза состоит из смеси нерастворителей, которая образует поверхностную пленку. Органическая фаза медленно вводится в водную фазу, которая затем перемешивается для образования коллоидной суспензии. После того, как коллоидная суспензия образована, ее будут перемешивать до тех пор, пока не начнут образовываться нанокапсулы. Размер и форма нанокапсул зависят от скорости впрыска, а также скорости перемешивания. [5]

Другим распространенным способом приготовления нанокапсул является метод диффузии эмульсии. Этот метод состоит из трех фаз: органической, водной и фазы разбавления. В этом методе органическая фаза добавляется к водной фазе в условиях интенсивного перемешивания, что образует эмульсию. Во время этого процесса к эмульсии добавляется вода, что заставляет растворитель диффундировать. Результатом этой диффузии эмульсии является образование нанокапсул. [5]

Испарение растворителя является еще одним эффективным методом приготовления нанокапсул. В этом процессе из растворителей образуются одинарные или двойные эмульсии, которые используются для создания суспензии наночастиц. Высокоскоростная гомогенизация или ультразвуковая обработка используются для формирования частиц малого размера в суспензии наночастиц. После того, как суспензия становится стабильной, растворители испаряются либо с помощью непрерывного магнитного перемешивания при комнатной температуре, либо путем снижения давления окружающей среды. [4]

Таблица ниже показывает, как нанокапсулы проявляют различные свойства в зависимости от метода, которым они были приготовлены. Типы нанокапсул различаются по размеру, концентрации препарата и времени высвобождения активного вещества. [ необходима цитата ]

Средний размер (нм) [ сомнительный – обсудить ]Концентрация препарата в разбавленной дисперсии (мг/мл) [5]Концентрация препарата в концентрированной дисперсии (мг/мл) [5]Время высвобождения активного вещества (90%) (мин) [5]
Нанопреципитация2500,002–0,090,15–6,5750
Эмульсия-диффузия425~0,25060
Двойная эмульгация4002–520–5045
Эмульгирование коацервация300~0,2412>2000

Проблемы обработки и решения

Нанокапсулы имеют тенденцию к агрегации и становятся нестабильными. Таким образом, вещества внутри капсул могут вытекать. Чтобы контролировать нестабильность, нанокапсулы можно высушивать либо распылительной сушкой , либо сублимационной сушкой (лиофилизацией [10] ). [1]

Распылительная сушка – Растворы распыляются в среду для сушки. Этот метод более широко используется в пищевой промышленности и применяется для инкапсуляции многих пищевых продуктов, таких как ароматизаторы, минералы, красители и витамины. Этот метод делает нанокапсулы более стабильными и увеличивает срок годности продуктов. [1]

Сублимационная сушка – этот процесс включает в себя дегидратацию материалов, чувствительных к теплу. В отличие от распылительной сушки, вода удаляется посредством процесса сублимации без изменения структуры или формы наночастиц. Сублимационная сушка включает в себя четыре стадии: замораживание, первичную сушку, вторичную сушку и хранение. Из-за множества задействованных стадий этот метод считается требующим больше энергии и времени. [1]

Характеристики

Впитываемость

Соотношение сторон влияет на способность нанокапсулы проникать в опухолевые клетки. Низкие соотношения сторон (сферические капсулы) имеют тенденцию проникать в клетки легче, чем высокие соотношения сторон (стержнеобразные капсулы). [6]

Структура

Наноразмерная структура нанокапсул позволяет им проникать через базальные мембраны, что делает их эффективными носителями лекарств в биологических системах. Специфическая обработка нанокапсул придает им уникальные свойства в том, как они высвобождают лекарства в определенных ситуациях. Как правило, существует три физико-химических механизма высвобождения, которые используются для высвобождения лекарства или лекарства из полимерной оболочки нанокапсулы. [4]

Доставка

  1. Гидратация и диффузия – В этом механизме высвобождения нанокапсула будет набухать из-за эффектов гидратации. Как только нанокапсула набухнет до точки, в которой она растянется, полимерная мембрана позволит лекарству диффузировать через полимерную мембрану в биологическую систему. [4]
  2. Ферментативная реакция – Полимерная оболочка должна быть сначала выбрана для координации с ферментами, вырабатываемыми человеческим организмом, чтобы произвести ферментативную реакцию. Эта реакция вызовет разрыв полимерной мембраны, что позволит лекарству диспергироваться в системе. [4]
  3. Диссоциация препарата – препарат диссоциирует из набухшей нанокапсулы и диффундирует в остальную часть клетки. [4]
Другие способы доставки: доставка веществ в медицинских целях

Ближний инфракрасный свет: высвобождение препарата происходит под действием тепла. Инфракрасная технология может быть глубоко поглощена телом, превращаясь в тепло. Теплочувствительный материал, в частности полимерная оболочка, которая разбухает при нагревании, разрушается. Действие сдувания — это то, что высвобождает препарат. [7]

Магнитные поля: Магнитные стержни миллиметрового масштаба встроены в поливиниловый спирт. Магнитное поле внутри стержней чередуется, что приводит к изменению формы и окончательному разрушению нанокапсул. Изменение структуры затем запускает высвобождение лекарства. [7]

Ультразвук: Другой вариант высвобождения препарата — через ультразвук, который представляет собой «продольную волну давления». [7] Ультразвук может быть либо низкочастотным, или LFUS, (от ~20 до ~100 кГц), либо высокочастотным, HFUS, (>1 МГц). Трансдермальная доставка ( сонофорез ) усиливается с помощью LFUS, что затем дополнительно позволяет высвободить препарат. Поскольку волна HFUS выше, успешность доставки препарата была продемонстрирована с помощью пузырьков. Пузырьки внутри капсулы образуются и разрушаются из-за более высоких температур волны. [7]

Некоторые другие способы включают пероральный, который является наиболее активным, назальный, трансдермальный и через легкие. Пероральный является наиболее распространенным и самым сложным. Требования к последовательному высвобождению сохраняются, хотя ведутся разработки для лекарств, которые будут биоадгезией к кишечному тракту. Биоадгезия также рассматривается для назальной доставки, чтобы продлить жизнь лекарства в носу. Лекарства также могут переноситься через кожу (трансдермально). Ингаляторы также представляют интерес, так как, например, лекарства от астмы состоят из макромолекул. В настоящее время ингаляционные системы нежелательны для пациентов, и есть надежда, что в какой-то момент в этой системе доставки будут достигнуты успехи. [7]

Приложения

Рак

Создаются водорастворимые полимерные оболочки для доставки белка апоптина [11] в раковые клетки. Белок проникает в ядро ​​раковых клеток, оставляя здоровые клетки в покое, в отличие от других традиционных методов лечения, таких как генная терапия и химиотерапия. [12] Размер капсул составляет 100 нм. [12]

Также исследуется активное нацеливание на раковые клетки. Благодаря активному нацеливанию нанокапсулы образуют лиганды , которые связываются со злокачественными клетками для доставки клеток. Этот метод особенно полезен для тех лекарств, которые не так проницаемы через клеточную мембрану, и там, где ткани больны, наночастицы способны легче связываться со злокачественными клетками. [7]

Использование продуктов питания

Нанокапсуляция в пищевых продуктах подразумевает изменение текстуры, вкусов, окраски и стабильности в течение срока годности . [1]

Нутрицевтики

Нутрицевтики (от nutriceuticals = питательный + фармацевтический ) — это вещества, которые добавляются в пищу для улучшения питания. Повышенная биодоступность этих веществ зависит от размера наноносителя. Чем меньше наноноситель, тем лучше свойства доставки и растворимость нутрицевтиков; наноноситель может легче проникать в кровоток, если он меньше. [1]

Для инкапсуляции нутрицевтиков используются липидные или полимерные (натуральные биоразлагаемые) полимеры. Типы используемых полимеров включают коллаген, желатин и альбумин. [1]

Поглощение этилового спирта

Относительно новое исследование включает инкапсуляцию пищеварительных ферментов в нетоксичную полимерную оболочку. На лабораторных мышах было доказано, что заполненная ферментами нанооболочка поглощает этиловый спирт из кровотока, что приводит к снижению уровня алкоголя в крови. Был сделан вывод, что частицы действуют как органеллы, что предполагает другие преимущества для ферментной терапии. Это открытие представляет другие исследования, такие как методы инкапсуляции при выпадении волос. [13]

Самовосстанавливающиеся материалы

Для таких материалов, как компоненты в микроэлектронике , полимерные покрытия и клеи, нанокапсулы могут уменьшить повреждения, вызванные высокими нагрузками. Заживление трещин в этих материалах облегчается путем диспергирования нанокапсул в полимере. Лечебные вещества включают дициклопентадиен (DCPD), который готовится на месте в материале путем обработки ультразвуком. Наноинкапсулированный материал сначала эмульгируется в материале-хозяине путем создания самовосстанавливающейся эпоксидной смолы типа «масло в воде». Затем эмульгированный материал перемешивается в материале-хозяине для образования частиц, которые затем связываются с материалом-хозяином. [14]

Проблемы использования

По состоянию на 2016 год [обновлять]неизвестно, каково воздействие наноразмерных материалов на здоровье человека и окружающую среду. Только посредством оценки химического риска и токсичности с течением времени можно подтвердить какие-либо эффекты. Меры по тестированию в настоящее время недостаточны, а одобрение использования наночастиц, особенно в пищевых продуктах, неоднозначно. [1]

Ссылки

  1. ^ abcdefghi Эжилараси, ПН; Картик, П.; Чханвал, Н.; Анандхарамакришнан, К. (2012). «Методы наноинкапсуляции пищевых биоактивных компонентов: обзор». Пищевые и биотехнологические технологии . 6 (3): 628–47 . doi : 10.1007/s11947-012-0944-0. S2CID  98381808.
  2. ^ Вартоломеос, П.; Фручард, М.; Феррейра, А.; Мавроидис, К. (2011). «Наноробототехнические системы с МРТ-управлением для терапевтических и диагностических приложений». Annu Rev Biomed Eng . 13 : 157–84 . doi : 10.1146/annurev-bioeng-071910-124724 . PMID  21529162. S2CID  32852758.
  3. ^ Верт, Мишель; Дои, Ёсихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Гесс, Майкл; Ходж, Филипп; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргерит; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология биосвязанных полимеров и их применение (рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377– 410. doi :10.1351/PAC-REC-10-12-04. S2CID  98107080.
  4. ^ abcdefgh Нагаварма, Б. В. Н.; Ядав, Хемант КС; Аяз, А; Васудха, Л. С.; Шивакумар, Х. Г. (2012). «Различные методы приготовления полимерных наночастиц – обзор» (PDF) . Азиатский журнал фармацевтических и клинических исследований . 5 (Приложение 3): 16–23 .
  5. ^ abcdef Mora-Huertas, CE; Fessi, H.; Elaissari, A. (2010). «Нанокапсулы на основе полимеров для доставки лекарств». International Journal of Pharmaceutics . 385 ( 1– 2): 113– 42. doi : 10.1016/j.ijpharm.2009.10.018. PMID  19825408.
  6. ^ аб Шимони, Ольга; Ян, Ян; Ван, Яджун; Карузо, Фрэнк (2013). «Формазависимая клеточная обработка полиэлектролитных капсул». АСУ Нано . 7 (1): 522–30 . doi : 10.1021/nn3046117 . hdl : 11343/123306 . ПМИД  23234433.
    • Belle Dumé (21 декабря 2012 г.). «Форма нанокапсулы имеет значение для доставки лекарств». Nanotechweb .
  7. ^ abcdefg Тимко, Брайан П.; Уайтхед, Кэтрин ; Гао, Вэйвэй; Кохане, Дэниел С.; Фарохзад, Омид; Андерсон, Дэниел; Лангер, Роберт (2011). «Достижения в области доставки лекарств». Ежегодный обзор исследований материалов . 41 : 1– 20. Bibcode : 2011AnRMS..41....1T. doi : 10.1146/annurev-matsci-062910-100359.
  8. ^ Лонг, Ли-ся; Юань, Сюй-бо; Чанг, Цзян; Чжан, Чжи-хуа; Гу, Мин-ци; Сун, Тянь-Тянь; Син, Ин; Юань, Сяо-янь; и др. (2012). «Самоорганизация полимолочной кислоты и модифицированного холестерином декстрана в полые нанокапсулы». Углеводные полимеры . 87 (4): 2630– 7. doi :10.1016/j.carbpol.2011.11.032.
  9. ^ «Словарь нанотехнологий - Нанопреципитация».
  10. ^ http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/LYO/ [ необходима полная ссылка ]
  11. ^ Питерсен, Александра; Нотеборн, Матье ХМ (2000). «Апоптин». Генная терапия рака: достижения прошлого и проблемы будущего . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Т. 465. С.  153–61 . doi :10.1007/0-306-46817-4_14. ISBN 978-0-306-46817-9. PMID  10810623.
  12. ^ ab Zhao, Muxun; Hu, Biliang; Gu, Zhen; Joo, Kye-Il; Wang, Pin; Tang, Yi (2013). «Разлагаемая полимерная нанокапсула для эффективной внутриклеточной доставки высокомолекулярного комплекса белков, селективных к опухолям». Nano Today . 8 : 11–20 . doi :10.1016/j.nantod.2012.12.003.
    • Билл Кислюк (7 февраля 2013 г.). «Нанокапсулы борются с раком, не нанося вреда здоровым клеткам». SciTech Daily .
  13. ^ Лю, Ян; Ду, Хуанхуан; Ян, Мин; Лау, Мо Инь; Ху, Джей; Хан, Хуэй; Ян, Отто О.; Лян, Шэн; и др. (2013). «Биомиметические ферментные нанокомплексы и их использование в качестве антидотов и мер профилактики алкогольной интоксикации». Природные нанотехнологии . 8 (3): 187–92 . Бибкод : 2013НатНа...8..187Л. дои : 10.1038/nnano.2012.264. ПМК 3670615 . ПМИД  23416793. 
    • Майк Оркатт (17 февраля 2013 г.). «Нанокапсулы отрезвляют пьяных мышей». MIT Technology Review . Архивировано из оригинала 2013-02-17.
  14. ^ Blaiszik, BJ; Sottos, NR; White, SR (2008). «Нанокапсулы для самовосстанавливающихся материалов». Composites Science and Technology . 68 ( 3– 4): 978– 86. doi :10.1016/j.compscitech.2007.07.021.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Нанокапсула&oldid=1263599257"