Bij werk dat een grote impact zou kunnen hebben op verschillende industrieën - van farmaceutica tot cosmetica en zelfs voedsel - hebben MIT-ingenieurs een nieuw platform ontwikkeld voor de gecontroleerde afgifte van bepaalde belangrijke medicijnen, voedingsstoffen, en andere stoffen aan menselijke cellen.

De onderzoekers geloven dat hun eenvoudige aanpak, die kleine capsules creëert met duizenden druppeltjes van nanogrootte geladen met een medicijn of ander actief ingrediënt, gemakkelijk over te stappen van het laboratorium naar de industrie.

De actieve ingrediënten in veel consumentenproducten die bedoeld zijn voor gebruik in of op het menselijk lichaam, lossen niet gemakkelijk op in water. Als resultaat, ze zijn moeilijk voor het lichaam om te absorberen, en het is moeilijk om hun levering aan cellen te controleren.

Alleen al in de farmaceutische industrie "40 procent van de momenteel op de markt gebrachte geneesmiddelen en 90 procent van de geneesmiddelen in ontwikkeling zijn hydrofoob, waarbij [hun] lage oplosbaarheid in water hun biologische beschikbaarheid en absorptie-efficiëntie aanzienlijk beperkt, " schrijft het MIT-team in een paper over het werk in het nummer van 28 augustus van het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

Nano-emulsies aan de redding

Die medicijnen en andere hydrofobe actieve ingrediënten doen dat wel, echter, oplossen in olie. Vandaar de groeiende belangstelling voor nano-emulsies, het nanoschaal-equivalent van een olie-en-azijn saladedressing die bestaat uit minuscule druppeltjes olie gedispergeerd in water. Opgelost in elke oliedruppel is het actieve ingrediënt van belang.

Onder andere voordelen, de met ingrediënten beladen druppeltjes kunnen gemakkelijk door celwanden gaan. Elke druppel is zo klein dat tussen 1, 000 tot 5, 000 zou passen over de breedte van een mensenhaar. (Hun tegenhangers op macroschaal zijn te groot om er doorheen te komen.) Zodra de druppeltjes in de cel zijn, hun lading kan een effect hebben. De druppels zijn ook uitzonderlijk stabiel, wat resulteert in een lange houdbaarheid, en kunnen een grote hoeveelheid actief ingrediënt bevatten voor hun grootte.

Maar er is een probleem:hoe kap je een nano-emulsie in in een doseringsvorm zoals een pil? De technologieën om dit te doen staan ​​nog in de kinderschoenen.

In een van de meest veelbelovende benaderingen, de nano-emulsie is ingekapseld in een 3D-netwerk van een polymeergel om kleine bolletjes te vormen. Momenteel, echter, wanneer ze worden ingenomen, geven die kralen hun nuttige lading - de met ingrediënten beladen oliedruppels - in één keer vrij. Er is geen controle over het proces.

Het MIT-team loste dit op door een shell toe te voegen, of capsule, rond grote individuele druppeltjes nano-emulsie, elk met duizenden nano-oliedruppels. Die schaal beschermt niet alleen de nanodruppeltjes binnenin tegen schadelijke fysiologische omstandigheden in het lichaam, maar kan ook worden gebruikt om de vaak onsmakelijke smaak van de actieve ingrediënten die ze bevatten te maskeren.

Het resultaat is een "pil" met een diameter van ongeveer 5 millimeter met een biologisch afbreekbare schaal die op zijn beurt kan worden "afgestemd" om de inhoud op specifieke tijden vrij te geven. Dit wordt gedaan door de dikte van de schaal te veranderen. Tot op heden hebben ze het systeem met succes getest met zowel ibuprofen als vitamine E.

"Ons nieuwe leveringsplatform kan worden toegepast op een breed scala aan nano-emulsies, die zelf actieve ingrediënten bevatten, variërend van medicijnen tot nutraceuticals en zonnefilters. Het hebben van deze nieuwe controle over hoe je ze levert, opent veel nieuwe wegen in termen van toekomstige toepassingen, " zegt Patrick Doyle, de Robert T. Haslam Professor of Chemical Engineering en senior auteur van het papier.

Zijn collega's op het werk zijn Liang-Hsun Chen, een afgestudeerde student in chemische technologie en eerste auteur van het papier, en Li-Chiun Cheng SM '18, doctoraat '20, die zijn Ph.D. in de chemische technologie eerder dit jaar en is nu bij LiquiGlide.

Vele voordelen

Naast de eenvoud en schaalbaarheid voor de industrie heeft het MIT-platform een ​​aantal voordelen. Bijvoorbeeld, de schaal zelf "is afgeleid van de celwanden van bruine algen, dus het is heel natuurlijk en biocompatibel met menselijke lichamen, " zegt Chen.

Verder, het proces voor het maken van de nano-emulsie die zijn nuttige lading bevat, is economisch omdat het eenvoudige roeren weinig energie vereist. Het proces is ook "heel zachtaardig, die het [actieve] molecuul van belang beschermt, als een medicijn, "zegt Doyle. "Hardere technieken kunnen ze beschadigen."

Het team toonde ook het vermogen aan om de vloeibare nano-emulsie in elke schaal in een vaste kern te veranderen, die een verscheidenheid aan andere toepassingen mogelijk zou maken. Ze deden dit door een materiaal toe te voegen dat, wanneer geactiveerd door ultraviolet licht, de nano-oliedruppeltjes aan elkaar koppelt.

voor Chen, het meest opwindende deel van het werk was het voorbereiden van de capsules en vervolgens "kijken hoe ze barsten om hun inhoud vrij te geven op de beoogde tijden waarvoor ik ze had ontworpen."

Doyle merkt op dat vanuit pedagogisch oogpunt, het werk "combineerde alle kernelementen van chemische technologie, van vloeistofdynamica tot reactietechniek en massaoverdracht. En voor mij is het best gaaf om ze allemaal in één project te hebben."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.