Nanopartikler, lavet på bestilling - inde og ude

En ny belægningsteknologi udviklet på MIT, kombineret med en ny nanopartikel-fremstillingsteknologi udviklet ved University of North Carolina i Chapel Hill, kan tilbyde forskere en måde at hurtigt masseproducere skræddersyede nanopartikler, der er specielt belagt til specifikke applikationer, herunder medicin og elektronik.

Ved at bruge denne nye kombination af de to eksisterende teknologier, videnskabsmænd kan producere meget små, ensartede partikler med tilpassede lag af materiale, der kan bære lægemidler eller andre molekyler til at interagere med deres miljø, eller endda målrette mod specifikke typer celler.

Oprettelse af meget reproducerbare partier af præcist konstruerede, coatede nanopartikler er vigtige for sikker fremstilling af lægemidler og opnåelse af myndighedsgodkendelse, siger Paula Hammond, David H. Koch professor i kemiteknik ved MIT og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Alle er begejstrede for nanomedicinens potentiale, og der er nogle systemer, der gør det ud på markedet, men folk er også bekymrede over, hvor reproducerbar hver batch er. Det er især vigtigt for applikationer som kræftbehandlinger, " siger Hammond. "Heldigvis, vi har kombineret to teknologier, der er på forkant med at løse disse problemer, og som viser et stort løfte for fremtiden for nanofremstilling."

Hammond og Joseph DeSimone, kanslerens eminente professor i kemi ved UNC og William R. Kenan Jr. Distinguished Professor of Chemical Engineering ved North Carolina State University, er seniorforfatterne til et papir, der beskriver teknologien i onlineudgaven af ​​1. juli Avancerede materialer . Hovedforfatter af papiret er Stephen Morton, en kandidatstuderende i Hammonds laboratorium.

'En meget alsidig platform'

Hammonds laboratorium har tidligere udviklet en lag-for-lag-aflejringsteknik til belægning af nanopartikeloverflader med skiftende lag af lægemidler, RNA, proteiner eller andre molekyler af interesse. Disse belægninger kan også designes til at beskytte nanopartikler mod at blive ødelagt af kroppens immunsystem, før de når deres tilsigtede mål.

"Det er en meget alsidig platform til at inkorporere terapeutiske midler, " siger Hammond.

Imidlertid, de lag-for-lag påføringsprocesser, der almindeligvis anvendes i dag til at coate nanopartikler, tager for lang tid til at være nyttige til hurtige, storskalafremstilling:For hvert lag, partiklerne skal gennemblødes i en opløsning af belægningsmaterialet, derefter centrifugeret i en centrifuge for at fjerne overskydende belægning. Påføring af hvert lag tager cirka en time.

I den nye undersøgelse, MIT-forskerne brugte en spray-baseret teknik, hvilket giver dem mulighed for at påføre hvert lag på få sekunder. Denne teknologi blev tidligere udviklet i Hammond-laboratoriet og bliver nu kommercialiseret af Svaya Nanotechnologies.

Hammond kombinerede denne tilgang med en nanopartikel-fremstillingsteknologi kendt som PRINT (Particle Replication In Non-wetting Templates) platformen, som blev udviklet i DeSimone-laboratoriet ved UNC og nu kommercialiseres af Liquidia Technologies. Liquidia fokuserer på at bruge PRINT-platformen til at skabe nye nanoteknologi-baserede sundhedsprodukter, vacciner og lægemidler.

PRINT-platformen er en kontinuerlig rulle-til-rulle-partikelstøbningsteknologi, der muliggør design og masseproduktion af præcist konstruerede partikler af kontrolleret størrelse, form og kemisk sammensætning. For at lave partikler som dem, der blev brugt i denne undersøgelse, en blanding af polymerer og lægemiddelmolekyler (eller anden nyttelast) påføres en stor filmrulle, der består af en form i nanostørrelse, der indeholder træk af den ønskede form og størrelse. Blandingen fylder alle kendetegn i formen og størkner for at skabe milliarder af nanopartikler. Partikler fjernes fra formen ved hjælp af en anden rulle klæbende film, som derefter kan sprøjtes med lag af specialiserede belægninger ved hjælp af Hammonds nye teknologi og adskilles i individuelle partikler.

"Idéen var at sætte disse to processer i industriel skala sammen og skabe en sofistikeret, smukt belagt nanopartikel, på samme måde som bagerier glaserer din yndlingsdoughnut på transportbåndet, " siger Hammond.

"Kombinationen af ​​PRINT og spray lag-for-lag giver en alsidig platform til hurtig ændring af overfladekemien af ​​partikler, " siger Frank Caruso, en professor i kemisk og biomolekylær teknik ved University of Melbourne, som ikke var en del af forskergruppen. "Denne tilgang lover også høj gennemstrømning i udviklingen af ​​partikelleveringssystemer til nanomedicinske applikationer."

Flere funktioner

Denne nye proces lover at give store mængder coatede nanopartikler og samtidig reducere produktionstiden dramatisk. Det giver også mulighed for brugerdefineret design af en bred vifte af materialer, både i nanopartikelkernen og i belægningen, til applikationer, herunder elektronik, medicin levering, vacciner, sårheling eller billeddannelse, siger Morton.

"Både PRINT- og lag-for-lag teknologierne giver mulighed for inkorporering af mange forskellige materialer, der har unikke egenskaber til at lave systemer med flere indbyggede funktioner, " han siger.

For at demonstrere den potentielle anvendelighed af denne teknik, forskerne skabte partikler belagt med hyaluronsyre, som har vist sig at målrette proteiner, kaldet CD44-receptorer, der findes i høje niveauer på aggressive kræftceller. De fandt ud af, at brystkræftceller dyrket i laboratoriet opsluger partikler belagt med lag af hyaluronsyre meget mere effektivt end partikler uden belægninger eller med belægninger, der ikke indeholder hyaluronsyre.

I opfølgende undersøgelser, forskerne planlægger at designe partikler, der indeholder kræftlægemidler og kræftbekæmpende belægninger for at se, om de effektivt kan skrumpe tumorer. Nogle af disse partikler kan omfatte kombinationer, såsom to forskellige kemoterapimidler, eller et lægemiddel kombineret med RNA-molekyler, der er målrettet mod kræftgener. Disse kombinationer kan arbejde sammen på en synergistisk måde for selektivt at afvæbne og dræbe kræftceller.

Artiklen har titlen "Scalable Manufacture of Built-to-Order Nanomedicine:Spray-Assisted Layer-by-Layer Functionalization of PRINT Nanoparticles."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.