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Module 1: Nano - e Micro - Particelle

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Sintesi Particella: Evaporazione Solvente

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Ciao a tutti! Benvenuti in un'altra lezione per la Drug Delivery Engineering and Principles. Stiamo parlando ora di Micro e Nano Particelle.
(Riferimento Slide Time: 00.35)

Quindi, solo un rapido recap di quello che abbiamo fatto nell'ultima classe. Nell'ultima classe abbiamo introdotto quelle che sono le micro nano particelle. Ecco, queste sono essenzialmente le versioni miniaturizzate dei vostri dispositivi a matrice. Quindi, abbastanza piccolo, qualsiasi cosa meno di 100 micron, la sua micro particella e se si parla di nano particella stiamo dicendo anche meno di 1 micron.
Abbiamo parlato di quali sono i vantaggi rispetto ai dispositivi macro. Quindi, diversi di loro abbiamo parlato di prima cosa ovviamente, che non si deve fare subito alcun intervento chirurgico, è possibile solo iniettarlo direttamente, è possibile ottenere più targeting, è possibile ottenere più leva con loro. Quindi, se volete iniettarlo in organi sensibili, potete trovare lo spazio, e non dovrete fare quell' intervento. La compliance del paziente è molto alta e poi diverse altre cose di cui abbiamo parlato.

E poi abbiamo discusso di come interagiscono con i reni. Quindi, reni di nuovo quando sul grande organo che decide qual è il tempo di permanenza di queste particelle e così, prima abbiamo esaminato quale portata di dimensione sono queste particelle che scorrono attraverso il rene e quali no. Quindi, per prima cosa parliamo di dimensioni e di quello che abbiamo scoperto che qualcosa che è maggiore di 6 nanometri, non verrà filtrato solo perché la GBM, la membrana glomerulare, la membrana del seminterrato non lasceranno passare.
Poi qualsiasi cosa tra i 1 ai 6 nanometri passerà piuttosto rapidamente perché la membrana seminterrato è abbastanza permeabile e 1nm passerà più velocemente attraverso il 6nm e poi non c'è davvero nessuna interazione. Ma una volta che si va al di sotto di un nanometro quello che succede è il glicocalice delle cellule del circostante inizierà a interagire con questo e alla fine questo impedirà il più veloce sdoganamento, inizieranno ad interagire e avremo una via molto più tortuosa attraverso questo glicocalice. Allora, queste erano alcune delle cose che discutevamo nel rispetto dei reni.
Poi abbiamo parlato di carica, quindi questo di nuovo questo GBM è addebitato negativamente e quindi significa che se c'è una particella carica positivamente è fortemente attratto verso di esso e così, le particelle di carica positive si sdoganano più velocemente e più la particella più dinamica è quella meno che si sdogana attraverso il rene.
(Riferimento Slide Time: 03.09)

Quindi, continuiamo e cerchiamo di definire alcuni termini per la consegna mediata delle particelle. E così, la prima cosa è la particella, la dimensione e la forma - questi non sono davvero altro che definire qual è la dimensione in forma di essi; quindi quanto sono grandi, che tipo di morfologia sono, se sono sferiche, se sono a forma di canna, se le forme del disco e qualunque sia la forma che potrebbero essere. E ovviamente ci sono diverse tecniche che si possono usare per ordinare una stima di questo. Quindi, si può ottenere una sorta di stima qualitativa - si può usare la microscopia abbiamo ora microscopi molto potenti che possono immagine anche 10 nanometri e più bassi.
Quindi, e si può scendere a microscopi anche elettroni che ora possono addirittura scendere a intervalli di dimensione a singola cifra. E poi si può fare questo quantitativamente, quindi ci sono diverse tecniche - coulter conteggio o tecniche di scattering leggero e che scatta la luce e si può ottenere una stima di quella che è la dimensione che lo sta scagliando. Si può ottenere una distribuzione di che tipo di diametri sono presenti in tutta la popolazione, forse non sono tutte particelle di dimensioni simili e tutte queste possono essere utilizzate per ottenere una stima della particella, della dimensione e della forma.
Un'altra è la polidispersione, quindi si collega a questa distribuzione media. E quello che è, è a differenza di questi macro dispositivi in cui si ha un po' di controllo quanto a quello che è la dimensione del dispositivo che si sta facendo - se fare 1 millimetri tipicamente si ottiene all'interno più il meno 0,1

millimetro. Ma con questi micro dispositivi e nano dispositivi che non è il caso perché - e discuteremo del perché di questa polidispersione - ma poi c'è un bel po' di polidispersità che potreste trovare in campioni diversi.
E così definire che abbiamo questo termine dove la polidispersione che fondamentalmente calcola la distribuzione delle dimensioni. Quindi, che quante particelle ci siano con, diciamo, 1 micron, quante particelle ci sono con 500 nanometri e tutto questo definirà quello che è la polidispersità. E sostanzialmente è solo una misura di quanto sia ampia o ristretta la distribuzione delle dimensioni.
E poi la composizione del vettore. Quindi, prima di tutto quello che è il polimero che stavi usando, che quantità di polimeri è che stavi usando. Quindi, quanta percentuale è il polimero, quanta percentuale è la droga, quanta percentuale sono altri componenti come i solventi, e i tensioattivi (se ci sono) se ci sono altri additivi che si sta aggiungendo. Quindi, tutto questo è presente in quel caso.

(Riferimento Slide Time: 05.52)

Quindi, altre definizioni. La cosa successiva è l'efficienza di incapsulamento e che arriva quando si parla di droga stessa. Allora, qual è è quanto del farmaco che ho iniziato con me è stato in grado di incapsulare nel mio polimero. Quindi, diciamo se voglio fare delle particelle e voglio che 1 milligrammo di farmaco siano incapsulati in queste particelle. Quindi, io faccio queste particelle e discuteremo di vari metodi di sintesi.
Quindi, diciamo che la sintesi delle particelle è fatta e alla fine finendo con 100 milligrammi di particelle. Ovviamente questo 100 milligrammo è essenzialmente e il peso del polimero più il farmaco e poi quello che faccio è poi sciogliere questo intero 100 milligrammo di particella e vedere quanta droga c'era effettivamente e ho scoperto che invece di un milligrammo potevo solo lasciarci dire 800 microgrammi di farmaco nei 100 milligrammi, quindi; questo significa che ho perso circa 200 milligrammi di farmaco durante il processo di sintesi.
Quindi, la mia efficienza di incapsulamento sarà di 0,8 milligrammo diviso per il farmaco iniziale che è 1 milligrammo moltiplicato per 100 per ottenere una percentuale e questo non è altro che essenzialmente 80%. Quindi, in questo caso la mia efficienza di incapsulamento è di 80%, ma è così che si intende tipicamente definito.
Cosa dire del rapporto di incapsulamento del livello di carico? Ecco, questo è un altro modo per definire per ottenere una stima di quanto farmaco sia presente. E qual è solo la percentuale di peso del farmaco nella formulazione delle particelle. Se solo prendo l'ultimo esempio e ho detto che ho avuto 100 milligrammi di polimero (particella) e che conteneva circa 800 microgrammo di farmaco. Quindi, in questo caso ora il livello di carico non è nulla, ma 0,8 milligrammo diviso per 100 milligrammo e così, il mio livello di carico è in realtà inferiore a 1% in questo caso. Quindi, ecco come è sorta di definito. Se moltiplico questo entro il 100, arriverò a 80 entro il 100, quindi il mio livello di carico è di soli 0,8%. Quindi, ecco come è tipicamente definito.
E poi abbiamo la stabilità. Quindi, che sia quanto è stabile la particella, se posso conservarla per durate più lunghe o non intendo dire che questo potrebbe non avere nulla a che fare con il farmaco stesso o è una combinazione di farmaco nella stabilità dei polimeri, ma forse il mio polimero stesso non rimane davvero stabile. Così, il farmaco ovviamente, uscirà.
Quindi, sostanzialmente la stabilità chimica fa riferimento a come disabili la droga all'interno della particella nel tempo. Quindi, che ambiente lo state immagazzinando, quali sono le diverse condizioni e la stabilità fisica è cosa se le particelle si degradano, stanno assorbendo acqua o umidità dall'aria e poi le fanno degradare e erodere nel tempo anche prima della sua messa in corpo. Quindi, questo diventa importante in termini di determinazione della durata di conservazione e di efficacia di queste particelle.
(Riferimento Slide Time: 09.22)

Così, brevemente avevo accennato nella classe precedente che queste particelle possono essere utilizzate anche per la consegna intracellulare. E quindi, che cosa intendiamo per questo? Allora, diciamo che questa è una cellula di cui abbiamo una foto. E così, le cellule in sé hanno una sorta di percorso evoluto diverso attraverso il quale possono assumere un materiale esterno - questo potrebbe essere il glucosio o qualsiasi tipo di energia di cui hanno bisogno o potrebbero essere cibo in qualche tipo di cellule patogene. Quindi, i diversi modi attraverso i quali prendono grandi molecole come le particelle e questa potrebbe essere la fagocitosi, prevalentemente presente nelle cellule immunitari.
E poi meglio degli altri altri percorsi definiti qui questi sono mostrati da quasi tutti i tipi di cellule. Quindi, questa potrebbe essere macropinocitosi che non è altro che la ruffatura a membrana, quindi la membrana si arrufferà e semplicemente si mangia qualunque cosa sia nel circondario, potrebbe essere un mediato da una sorta di proteine presenti sulla membrana cellulare. Quindi, questa potrebbe essere una proteina di clathrin e quindi, formano piccole pozze tutte queste potrebbero essere proteine caveolae che formano anche piccole pali, ma sono proteine diverse. E poi ci sono alcuni altri percorsi che non sono molto conosciuti e che sono una sorta di clubbo in clathrin e caveolae indipendente endocytosi.
Quindi, tutto questo si tradurrà in una sorta di vescicola formata, contenente particelle legate a membrana e a seconda di quale tipo di particelle si sta usando, quali cellule è, quale stadio questo viene somministrato, queste particelle possono sfuggire attraverso questi vasi e causare la consegna intracellulare soprattutto nel citoplasmo. Oppure queste vescicole stesse possono poi essere bersagliate di organi diversi, possono essere indirizzate ai mitocondri, possono essere indirizzate al nucleo, possono essere bersagliate di qualche altro organo o potrebbero essere semplicemente trascritte. Quindi, diciamo se voglio attraversare una barriera con le cellule su di esso e se le particelle fanno la trascritosi, significa, che questa cellula accende questa particella e lo butta essenzialmente dall'altra parte. Quindi, tutto questo è abbastanza fattibile.
Quindi, ora, se queste particelle sono degradabili e stanno trasportando un farmaco che è estremamente idrofilo e non sarebbe stato in grado di diffonderne attraverso la membrana cellulare, ora questo farmaco può effettivamente farlo. Perché, ora questo farmaco è in queste particelle che si riprendono attraverso questi percorsi di uptake specializzati e ora è nella cella dove può essere rilasciato. Quindi, questo è quello che intendevamo con la consegna intracellulare.

(Riferimento Slide Time: 12.01)

E poi, da quando ho accennato qui che queste particelle possono davvero scappare da queste vescicole. Qual è il meccanismo attraverso il quale possono fuggire da queste vescicole? Così, che si chiama effetto protone di spugna - almeno uno dei modi in cui possiamo valorizzarlo sta usando un effetto di spugna di sponda e che è quando le particelle che vengono prese attraverso l'endocitosi o la fagocitosi.
Tipicamente si trovano localizzati e sono intrappolati in questi endosomi e lisosomi che è un macchinario per la cellula per degradare qualsiasi tipo di particelle esterne o nutrienti che ha assunto, e questi ambienti sono in realtà molto duri, hanno un pH molto basso e ci sono moltissimi enzimi degradanti.
Quindi, se il tuo farmaco viene rilasciato lì, a meno che tu non voglia puntare su quelle località, non vuoi che il farmaco venga fuori perché questi non sono favorevoli all'azione della droga e potrebbe addirittura distruggere il farmaco. Quindi, quello che viene fatto è aiutare l'effetto di fuga delle particelle che si chiama effetto protonico di spugna. E così, che cosa è l'effetto di protoni sponge?

(Riferimento Slide Time: 13.09)

Quindi, queste particelle sono progettate in modo tale da portare lotti di ammine secondarie e terziarie. Quindi, diciamo se ho un polimero che trasporta partite di ammine primarie, secondarie e terziarie. Quello che succederà è che ora queste ammine hanno un bel po' di capacità di accogliere gli ioni H plus (protoni) e come ho appena accennato che ci sono endosomi e fagune. Allora, questa è una cella ed ecco la mia endoceria.
Quindi, il pH esterno e l'interno della cella sono vicini a circa 7, ma il pH di questo è ora mantenuto intorno al 5 e lo diminuisce ulteriormente come va. Quindi, questi sono endosomi precoci e quando questi maturano, si trasformano in lisosomi, dove il pH può scendere fino a 2 a 3. Quindi, per l'agevolazione di questo processo da qui il pH è 7 va a 5 va a 2 a 3 il modo in cui la cellula lo fa è che ha partite di pompe di protoni.
Quindi, che cosa fa? Riprende H plus ioni o protoni e lo pompa nel sistema. E ovviamente, ci deve essere una sorta di equilibrio osmotico altrimenti queste vescicole non sarebbero in grado di durare, sempre più acqua andrà anche dentro. Allora, ora quello che sta accadendo è ora che ho messo questo polimero. Se zoom in uno di questi endosomi, quindi ho lotti e lotti di ammine primarie e terziarie che sono presenti, stanno prendendo questo H plus ion.
Quindi, stanno prendendo questo H plus ions e non lasciando cadere il pH. Quindi, il pH è ancora lasciato dire 6 in questo luogo.
Ora, la cellula non piace, quindi sta pompando più H plus ioni in esso e questo continua fino a quando non si colpisce la saturazione delle sue ammine terziarie e primarie o terziarie di secondo grado e se supponiamo che ci siano così tanti di loro che non colpiranno così velocemente. Poi quello che accadrà è questo H plus continuerà a pompare. Per questo ora ci sono troppo ioni nelle tue vescicole poi ci sono fuori. Quindi, gli ioni qui dentro sono più grandi degli ioni fuori e così, questo provoca uno squilibrio osmotico.
Quindi, ora c'è uno squilibrio osmotico, di conseguenza del quale l'acqua del circostante inizia ad andare dentro e inizia a mantenere questo equilibrio osmotico e come va dentro c'è una sorta di capacità a cui può assorbire l'acqua, ma alla fine la pressione all'interno diventa così alta che queste vescicole sono appena scoppiate. Così, una volta che sono scoppiati in qualunque cosa sono presenti le particelle qui, escono e ora sono nel citoplasmo non devono passare attraverso questo duro ambiente da 2 a 3 pH e questo è essenzialmente un effetto di spugna. Quindi, spero che questo sia chiaro.
Così, H plus sta andando a mantenere la carica, anche il cloruro di ione entra. Ora, hai lotti e lotti di H plus e ioni di cloruro che sono presenti nel tuo sistema e a causa di ciò ci sono molto più ioni nelle tue vescicole contenenti queste particelle e che poi rilasciano che poi provoca lo squilibrio nell'osmosi, e l'acqua va a mantenere quell' equilibrio, e queste vescicole sane, e alla fine scoppiano dopo una certa pressione.
Quindi, uno dei polimeri è molto diffuso è la polietilene amina. Si tratta di un polimero addebitato altamente positivamente solo perché ha un sacco di ammine terziarie e primarie e di nuovo molto diffuso. E poi ci sono altri meccanismi che si possono coniugare alcuni peptidi, questo è per lo più adottato da una strategia virale. Così, alcuni dei virus che fanno, sono che hanno peptidi che vanno e poke fori nella membrana.
Quindi, questi peptidi andranno e una sorta di buco attraverso il quale le tue cose possono scappare quando queste vescicole potrebbero scoppiare. Quindi, questi sono diversi meccanismi che si possono usare per ordinare di utilizzare questo effetto di spugna o questi pori che creano peptidi per uscire dalla vostra membrana endosomica.

(Riferimento Slide Time: 18.22)

Parliamo di alcuni metodi di sintesi delle particelle. Quindi, prima di tutto parleremo di metodi chimici. Questi, per le particelle polimeriche, comportano una sorta di polimerizzazione. Così, si può assumere polimeri in stati confinati, e iniziare questa reazione chimica al momento in cui la reazione chimica procederà sempre più di loro incroceranno e col tempo che le finiture d'azione sono la fine di formare una particella.
Ma per la riduzione delle particelle di metallo, l'ossidazione, la cristallizzazione, dai sali è usato parecchio, quindi puoi farti dire avere il sale d'oro. Quindi, si può avere un sale d'oro e poi lo si può ridurre o ossidarlo per restituirlo praticamente all'unità di stato in cui inizieranno a interagire con le altre ioni d'oro e formare una particella a seconda di quale concentrazione del sale che avete utilizzato è possibile variare la dimensione di queste particelle.

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E poi ci sono lotti e molti metodi fisici molto più diffusi queste potrebbero essere controllate precipitazioni del polimero. Quindi, praticamente si può avere un processo di emulsione e lo descriveremo in un po' più di dettaglio man mano che andiamo avanti, ma si può avere un processo di emulsione e lei, diciamo, formare queste goccioline emulsionate con polimero plus solvente. Ma questo solvente è volatile, quindi è tendente ad asciugare semplicemente e una volta che fa questa concentrazione di polimeri comincerà ad aumentare così come questa cosa sta andando a ridursi e alla fine tutto questo polimero precipiterà e forma una rete legata ad un incrocio fisico, che poi porterà alla particella e qualunque farmaco che potrebbe essere sciolto qui dentro ci si affida solo.
E ancora, come ho detto che descriveremo questo processo in più dettaglio. Quindi, l'evaporazione del solvente è di nuovo metodo molto simile qui. E ci potrebbero essere altri metodi che la gente sta usando, si può avere una complessa coagulazione. Quindi, abbiamo discusso brevemente di questo durante idrogel ionici lo stesso meccanismo può accadere anche a nano scala a seconda delle concentrazioni e dei rapporti o cose diverse che si utilizzano. Si può effettivamente rimuovere attivamente il solvente piuttosto che affidarsi solo a far evaporare il loro processo per la fusione a caldo, l'essiccazione spray, è possibile separare le cose separate e che possono provocare la formazione di nano e micro particelle o si può usare il sale per ordinare questo tipo di separazione o precipitazione dei polimeri.

(Riferimento Slide Time: 21.06)

Quindi, parliamo del metodo di evaporazione del solvente uno del metodo molto diffuso.
Quindi, prima di tutto parleremo di processo di emulsione unica. E così, ciò che di solito è fatto è questo contiene due fasi che hai uguale fase e fase organica, e in fase di parità puoi avere un'acqua distillata con surfactante, nella fase organica si possono avere alcuni solventi clorurati o magari qualcosa d'altro che contiene anche un polimero, a seconda che il tuo farmaco sia idrofilo o idrofobico scegli questi metodi in questo caso è usato prevalentemente per il farmaco che è idrofobico e descriverò il perché.
Quindi, aggiungi il tuo farmaco nella tua fase organica perché se si tratta di un farmaco idrofobico si va solo solubilizzati nella fase organica e poi emulsionarlo ed emulsionare significa solo mescolarli e dargli qualche energia. Quindi, quando si dà che questa fase organica non vuole interagire affatto con la fase acquosa. Allora, cosa abbiamo fatto prima se non darete energia, avrete loro una fase separata come questa.
Dove questa è la tua fase uguale o organica o questa potrebbe essere viceversa a seconda di quale sia più pesante, e si separeranno appena. Ma quando gli do costantemente energia e la forza a mischiare, si mescoleranno, ma si mescoleranno molto riluttanti. Quindi, quello che accadrà è anche se hanno mischiato queste due fasi non vorrà interagire tra di loro.

Quindi, quello che accadrà è a seconda di quale importo è più che si agirà come uno strato sfuso e tutto il resto sta andando a fare questa separazione di fase micro e nano, che è quella di impedire sostanzialmente alla sfusa di solvente organico di interagire con il solvente acquoso.
E così, più energia darò, i più piccoli questi droplet diventeranno, ed è così che si farà una sorta di fase separata.
E ora diciamo che questo solvente organico è volatile o come evaporano ad un ritmo molto rapido.
Quindi, una volta che questo evaporerà, quello che accadrà è prima di tutto questi droplet ci ridurranno e poi alla fine qualunque sia il polimero ci supererà il limite di solubilità perché il solvente è in costante evaporazione e che alla fine provocherà questa precipitazione fisica di queste molecole polimeriche per provocare nano o le micro sfere.
Quindi, vediamo, quindi voi uno degli esempi molto diffusi per questo tipo di processo sono le micro particelle PLGA o PLA che sono di nuovo piuttosto idrofobiche. Quindi, se si utilizza PLGA deve entrare nella fase organica, una della fase organica che è molto utilizzata sia cloroformio che DCM (diclorometano).
Quindi, questo processo viene nuovamente indicato come olio - in - acqua e il motivo dell'olio in acqua è perché se l'olio è in quantità inferiore a quest' acqua, quindi essenzialmente queste goccioline di olio sono in acqua. Quindi, è molto conosciuta come emulsione olio - in - acqua o olio - in - acqua. Questo potrebbe anche essere olio in olio a seconda di quale fase esterna si sta utilizzando. Quindi, potrete decidere di utilizzare invece di una fase acquosa potreste decidere di utilizzare un altro olio, ma questo olio è immiscibile con l'altro olio. Quindi, in quel caso dovrebbe essere olio - olio, ma di nuovo è tipicamente non usato per le applicazioni legate al corpo perché vogliamo sempre che le particelle che si fanno siano in grado di interagire con l'acqua e così, per quella della fase è tipicamente acquosa.
Così, come ho detto, se zoom in questi piccoli droplet che stanno evaporando solvente quello che state essenzialmente avendo sono queste catene di polimeri, quando le dimensioni sono diminuite, queste catene di polimeri si avvicinano sempre di più e poi alla fine sono solo, non c'è solvente, tutto quello che avete è questa catena di polimeri e così, queste rappresenteranno essenzialmente una matrice solida.
Qui non esiste una sorta di capsula o di particelle cave, queste sono tutte matrice solida che si formano. Quindi, questo processo si tradurrà in una particella di tipo a matrice, non una capsula hollow.

Il farmaco deve essere solubile e dispersibile nella fase di solvente organico che è il motivo per cui ho detto che viene utilizzato per i farmaci idrofobi. Se il farmaco non è solubile qui allora non può davvero entrare, solo il farmaco è solubile qui, sarà presente anche in questi droplet che sono qui.
(Riferimento Slide Time: 26:08)

E poi il polimero è tipicamente sciolto in qualche solvente organico volatile. Così, come ho detto uno dei più comunemente utilizza un cloruro di metilene o DCM. Si utilizzano anche altri solventi come il cloroformio e l'etilacetato, ma devono essere volatili. Insomma se non sono volatili, allora questo processo durerà per sempre per l'evaporazione e dovevano essere più volatili dell'acqua perché non si vuole che l'acqua si faccia evaporare prima.
La dispersione della soluzione di spaccio di polmer è emulsionata di nuovo in grande volume. Così, come ho detto che questo sarà in eccesso mentre, questo sarà limitato e poi tipicamente si aggiunge una sorta di surfacante. Quindi, quello che fa il surfacante è solo localizzarsi al margine di queste particelle perché questi sono i surfactants hanno domini che vogliono interagire con la fase acquosa hanno domini che vogliono interagire con la fase organica.
Quindi, si stabilizzano una volta che queste particelle si formano. Quindi, non è necessario dare continuamente l'energia durante la fase di evaporazione. Si può solo dare l'energia una volta per una certa quantità di tempo e quando questi droplet si sono stabilizzati a causa della presenza di questi surfactenti come PVA, si può quindi lasciarlo e non dover continuare a dare energia a questo.

E poi questo può essere mescolato sotto pressione ridotta e temperatura elevata, se si vuole aumentare questa velocità di evaporazione oppure si può fare a temperatura ambiente e pressione normale oltre a lasciare che queste particelle si induriano. Quindi, ci fermeremo qui e continueremo di più nella prossima classe.
Grazie.