Om een ​​ei te kraken om de dooier los te laten, moet je externe kracht uitoefenen (zoals een klap tegen de rand van een kom) om de kracht van de eierschaal te overwinnen. evenzo, het afleveren van therapeutische biomoleculen met microcapsules in het menselijk lichaam vereist dat hun containers worden gebroken nadat ze zijn geïnjecteerd, zodat de lading op het juiste moment op de juiste plaats kan worden afgeleverd. Een aantal externe stimuli kan worden gebruikt om de afgifte van ingekapselde moleculen op gang te brengen, een van de gemakkelijkste daarvan is osmotische druk, omdat het eenvoudigweg de introductie van water vereist om de microcapsules te laten zwellen en barsten. Echter, om voldoende innerlijke druk te creëren om de capsuleschil te breken, grote hoeveelheden van een osmotisch middel moeten aan de microcapsule worden toegevoegd om het water aan te trekken, en de resulterende hoge barstdruk kan weefsels beschadigen of bloedstolsels veroorzaken.

Een oplossing voor dit struikelblok is nu ontwikkeld door onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), die een manier bedacht om microcapsules te maken met omhulsels van ongelijke dikte waardoor ze kunnen barsten bij lagere osmotische druk, waardoor ze veiliger zijn voor gebruik in het menselijk lichaam. Het onderzoek is gepubliceerd in Klein .

"Het zwakste deel van onze granaten is 40 keer dunner dan hun sterkste deel, wat het voor hen veel gemakkelijker maakt om hun lading te breken en vrij te geven, " zei eerste auteur Weixia Zhang, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute en SEAS. "Aan de andere kant, deze microcapsules zijn buitengewoon duurzaam en lekken niet als ze niet worden blootgesteld aan verhoogde osmotische druk, waardoor ze zeer stabiel zijn en in staat zijn om hun inhoud voor een lange tijd op te slaan."

Om hun inhomogene microcapsules te fabriceren, de onderzoekers gebruikten een glazen capillair microfluïdisch apparaat dat een water-in-olie-in-water-methode gebruikte om een ​​wateroplossing met sucrose in te kapselen, een osmotisch middel, binnen een omhulsel van in olie gesuspendeerde monomeren. Wanneer de monomeren worden blootgesteld aan UV-licht, ze reageren met elkaar en verknopen tot een vaste stof, polymeer omhulsel rond de sucrose-oplossing. Door de snelheden te variëren waarmee de sucrose-oplossing "lading" en de monomeerolie "omhulsel" door het apparaat stromen, het team ontdekte dat ze variaties konden introduceren in de dikte van de gevormde schelpen, scheve capsules maken met aan de ene kant dikkere wanden en aan de andere kant dunner.

De onderzoekers onderwierpen hun microcapsules vervolgens aan een osmotische schok door water toe te voegen, die in de microcapsules diffundeerde en ervoor zorgde dat ze begonnen te zwellen op het dunste deel van de schaal. Na ongeveer 20-30 minuten, de uitgedunde schaal barstte, een opening vormen die tientallen micrometers groot was, die groot genoeg is om de meeste biomoleculen en nanomaterialen met succes te laten vrijkomen. Het vergroten van het verschil tussen het dunste en het dikste deel van de schaal leidde tot een groter aantal burst-microcapsules, bevestigend dat de mate van inhomogeniteit van invloed was op de werkzaamheid van het vrijgeven van de lading.

"In staat zijn om microcapsules met een hoge mate van inhomogeniteit te creëren door de dikte van de schaal tijdens het productieproces te veranderen en om de lading met veel kleinere osmotische druk vrij te geven, opent een nieuwe toepassing in gecontroleerde afgifte, wat erg belangrijk is voor medicijnafgifte in de geneeskunde, evenals andere velden, " zei co-eerste auteur Liangliang Qu, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute en SEAS.

Om de duurzaamheid van de microcapsules te testen, het team heeft er een fluorescerend polymeer in ingekapseld en de verandering in fluorescerende intensiteit in hun kernen in de loop van de tijd gemeten. Ze zagen geen verandering in intensiteit gedurende 30 dagen na inkapseling, wat aantoont dat de microcapsules hun lading vasthielden zonder te lekken. Verder, de grootte van het polymeer is veel kleiner dan de meeste biomoleculen, zoals antilichamen en enzymen, wat suggereert dat de schelpen kunnen worden gebruikt om biomoleculen of medicijnen voor langere tijd te beschermen en op te slaan.

Eindelijk, de onderzoekers hebben gedurende 37 dagen een protease (een enzym dat eiwitten afbreekt) en sucrose samen in hun microcapsules ingekapseld, vervolgens osmotische schok toegepast om de afgifte van hun inhoud te activeren. Het protease behield 91% van zijn oorspronkelijke activiteit, waaruit blijkt dat deze opslagmethode de biologische functie niet significant aantast.

"Vergeleken met andere dragers met gecontroleerde afgifte, zoals cellen, nanodeeltjes, of blaasjes, dit systeem is zeer veelzijdig, stal, en aanpasbaar, waardoor het een aantrekkelijk alternatief wordt voor het veilig en effectief afleveren van geneesmiddelen en andere biomoleculen voor de menselijke gezondheid en andere toepassingen, " zei de corresponderende auteur David Weitz, doctoraat, een kernfaculteitslid aan het Wyss Institute, die ook de Mallinckrodt-hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan SEAS is.

Het team blijft hun microcapsules ontwikkelen door het schaalmateriaal te optimaliseren om de osmotische druk die nodig is om ze te scheuren verder te verminderen. Ze zijn van plan om hun technologie eerst toe te passen op de levering van medicijnen, zoals therapeutische antilichamen, met als doel het hoge watergehalte van het menselijk lichaam te kunnen gebruiken om na injectie te fungeren als de ruptuurtrigger.

"Dit project is een goed voorbeeld van hoe eenvoudigere oplossingen vaak beter kunnen zijn dan ingewikkelde, aangezien de enige input die nodig is om de microcapsules te laten barsten mechanische druk is, in plaats van complexe chemie of moleculaire schakelaars, " zei co-auteur Donald Ingber, MD, doctoraat, wie is de oprichter van het Wyss Institute, de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.