Chemische ingenieurs van MIT hebben een nieuwe manier bedacht om zeer kleine druppeltjes van de ene vloeistof te maken die in een andere vloeistof worden gesuspendeerd. bekend als nano-emulsies. Dergelijke emulsies zijn vergelijkbaar met het mengsel dat ontstaat als je een saladedressing van olie en azijn schudt, maar met veel kleinere druppels. Door hun kleine formaat kunnen ze relatief lang stabiel blijven.

De onderzoekers vonden ook een manier om de vloeibare nano-emulsies gemakkelijk om te zetten in een gel wanneer ze lichaamstemperatuur (37 graden Celsius) bereiken, die nuttig kunnen zijn voor het ontwikkelen van materialen die medicijnen kunnen afgeven wanneer ze op de huid worden gewreven of in het lichaam worden geïnjecteerd.

"De farmaceutische industrie is enorm geïnteresseerd in nano-emulsies als een manier om therapieën met kleine moleculen te leveren. Dat kan actueel zijn, door inname, of door in de neus te sproeien, want als je eenmaal in het groottebereik van honderden nanometers begint te komen, kun je veel effectiever in de huid doordringen, " zegt Patrick Doyle, de Robert T. Haslam Professor of Chemical Engineering en de senior auteur van de studie.

In hun nieuwe studie die verschijnt in het nummer van 21 juni van Natuurcommunicatie , de onderzoekers creëerden nano-emulsies die meer dan een jaar stabiel waren. Om het potentiële nut van de emulsies voor het afleveren van medicijnen aan te tonen, de onderzoekers toonden aan dat ze ibuprofen in de druppeltjes konden opnemen.

Seyed Meysam Hashemnejad, een voormalig MIT-postdoc, is de eerste auteur van de studie. Andere auteurs zijn onder meer voormalig postdoc Abu Zayed Badruddoza, L'Oréal senior wetenschapper Brady Zarket, en voormalig MIT zomeronderzoekstagiair Carlos Ricardo Castaneda.

Energiereductie

Een van de gemakkelijkste manieren om een ​​emulsie te maken, is door energie toe te voegen - door je saladedressing te schudden, bijvoorbeeld, of het gebruik van een homogenisator om vetbolletjes in melk af te breken. Hoe meer energie er in gaat, hoe kleiner de druppeltjes, en hoe stabieler ze zijn.

nano-emulsies, die druppeltjes met een diameter van 200 nanometer of kleiner bevatten, zijn niet alleen wenselijk omdat ze stabieler zijn, maar ze hebben ook een hogere verhouding van oppervlakte tot volume, waardoor ze grotere ladingen actieve ingrediënten kunnen vervoeren, zoals medicijnen of zonnebrandmiddelen.

De afgelopen jaren is Doyle's lab heeft gewerkt aan energiezuinige strategieën voor het maken van nano-emulsies, waardoor het proces gemakkelijker kan worden aangepast voor grootschalige industriële productie.

Wasmiddelachtige chemicaliën, oppervlakteactieve stoffen genaamd, kunnen de vorming van emulsies versnellen, maar veel van de oppervlakteactieve stoffen die eerder zijn gebruikt voor het maken van nano-emulsies, zijn niet door de FDA goedgekeurd voor gebruik bij mensen. Doyle en zijn studenten kozen twee ongeladen oppervlakteactieve stoffen, waardoor ze minder snel de huid irriteren, en zijn al door de FDA goedgekeurd als additieven voor levensmiddelen of cosmetica. Ze voegden ook een kleine hoeveelheid polyethyleenglycol (PEG) toe, een biocompatibel polymeer dat wordt gebruikt voor medicijnafgifte en dat de oplossing helpt om nog kleinere druppeltjes te vormen, tot ongeveer 50 nanometer in diameter.

“Met deze aanpak je hoeft er helemaal niet veel energie in te steken, " zegt Doyle. "In feite, een langzaam roerende reep creëert bijna spontaan deze superkleine emulsies."

Actieve ingrediënten kunnen in de oliefase worden gemengd voordat de emulsie wordt gevormd, zodat ze uiteindelijk in de druppeltjes van de emulsie terechtkomen.

Toen ze eenmaal een energiezuinige manier hadden ontwikkeld om nano-emulsies te maken, het gebruik van niet-toxische ingrediënten, de onderzoekers voegden een stap toe waarmee de emulsies gemakkelijk kunnen worden omgezet in gels wanneer ze lichaamstemperatuur bereiken. Ze bereikten dit door warmtegevoelige polymeren op te nemen die poloxameren worden genoemd, of Pluronics, die al door de FDA zijn goedgekeurd en in sommige medicijnen en cosmetica worden gebruikt.

Pluronics bevatten drie "blokken" polymeren:de buitenste twee gebieden zijn hydrofiel, terwijl het middelste gebied enigszins hydrofoob is. Op kamertemperatuur, deze moleculen lossen op in water, maar hebben niet veel interactie met de druppeltjes die de emulsie vormen. Echter, bij verhitting, de hydrofobe gebieden hechten zich aan de druppeltjes, ze dwingen om steviger samen te pakken en een geleiachtige vaste stof te creëren. Dit proces vindt plaats binnen enkele seconden nadat de emulsie op de gewenste temperatuur is gebracht.

Afstembare eigenschappen

De onderzoekers ontdekten dat ze de eigenschappen van de gels konden afstemmen, inclusief de temperatuur waarbij het materiaal een gel wordt, door de grootte van de emulsiedruppels en de concentratie en structuur van de Pluronics die ze aan de emulsie hebben toegevoegd te veranderen. Ze kunnen ook eigenschappen veranderen zoals elasticiteit en vloeispanning, wat een maat is voor hoeveel kracht er nodig is om de gel te verspreiden.

Doyle onderzoekt nu manieren om een ​​verscheidenheid aan actieve farmaceutische ingrediënten in dit type gel op te nemen. Dergelijke producten kunnen nuttig zijn voor het toedienen van actuele medicatie om brandwonden of andere soorten verwondingen te helpen genezen, of zou kunnen worden geïnjecteerd om een ​​"drugsdepot" te vormen dat in het lichaam zou stollen en medicijnen zou vrijgeven gedurende een langere periode. Deze druppeltjes kunnen ook zo klein worden gemaakt dat ze kunnen worden gebruikt in neussprays voor het toedienen van inhaleerbare medicijnen, zegt Doyle.

Voor cosmetische toepassingen, deze benadering kan worden gebruikt om vochtinbrengende crèmes of andere producten te maken die beter houdbaar zijn en gladder aanvoelen op de huid.