Crosslinked gelatin nanocarriers for hydrophilic drugs

Abstract

A gelatina é um biopolímero natural hidrofílico obtido a partir da hidrólise do colágeno e amplamente utilizado como parte da síntese de dispositivos biomédicos, principalmente, por sua biodegradabilidade, biocompatibilidade e baixa toxicidade. Entretanto, devido à sua pobre resistência mecânica e baixa estabilidade térmica tem sido normalmente modificada para fins biomédicos específicos. Uma rica cadeia de aminoácidos e a presença de grupos funcionais diversos permitem a síntese de biomateriais com características desejáveis ??e propriedades aprimoradas. Neste sentido, os poli(ß-aminoésteres), PBAEs, têm emergido como um nanocarreador (NC) valioso de fármacos para aumentar a permeabilidade às membranas e devido às características inerentes às aminas terciárias e aos ésteres, como capacidade responsiva ao pH e biodegradabilidade. Portanto, neste estudo, objetivou-se a síntese de nanopartículas (NPs) hidrofílicas, biocompatíveis e biodegradáveis, ?acriladas? e/ou reticuladas para servirem como NCs de fármacos também hidrofílicos em aplicações biomédicas. Para tanto, nanogéis e hidrogéis de PBAEs à base de gelatina modificados foram sintetizados e caracterizados. A ocorrência da adição de aza-Michael foi empregada para desenvolver os hidrogéis utilizando 1,4-butanodiol diacrilato como reticulante em solução. As PNB ?acriladas? e/ou reticuladas foram preparadas via polimerização interfacial com o mesmo reticulante em miniemulsão inversa e/ou seguida de fotopolimerização por radicais livres, utilizando-se um fotoiniciador. A gelatina pura foi descrita quanto ao peso molecular (GPC e SLS), propriedades físicas, térmicas e grupos aminoácidos primários livres (ensaio com TNBS). Os hidrogéis sintetizados foram caracterizados por FTIR, DRX, TGA, DSC, grau de modificação (DM), razão de intumescimento e pela teoria de Flory-Rehner, já para os GNPs, avaliando-se o tamanho de partícula e índice de polidispersão, potencial zeta, DM, eficiência de encapsulação e morfologia. A gelatina possui peso molecular em torno de Mw = 539,127 g/mol e e = 0,305 mmol de lisina/gelatina. Hidrogéis com DM entre 26,4 e 62,9% foram descobertos e a incorporação do reticulante foi verificada pelos espectros de FTIR e DRX. Em relação à gelatina pura, a estabilidade térmica dos hidrogéis apresentou ligeira redução para as formulações com maiores DM, sendo este comportamento, direcionado ao efeito plastificante do reticulante utilizado. Foi distribuído um aumento na razão de intumescimento e no tamanho da malha da rede com o aumento do DM. Além disso, para os PIBs foram obtidos DM entre 45,6 e 70,4% e partículas com diâmetros médios entre 185 e 202 nm e distribuição de tamanhos estreitos (PDI < 0,2). Para que os PIBs se redispersem em diferentes pH e a 37 ºC, os potenciais zeta negativos foram associados à contribuição de diversos efeitos observados. A eficiência máxima de encapsulamento nas PNB redispersas foi de 34,5% com 11,2 µgDOX/gpolímero encapsulado.Estruturas aproximadamente esféricas com diâmetro médio de 499,3 ± 178,5 nm foram observadas pela microscopia eletrônica de transmissão. O estudo de fluorescência por microscopia óptica confirmou o encapsulamento da DOX, no entanto, não foi possível obter informações conclusivas a respeito do encapsulamento e liberação do fármaco a partir da microscopia confocal. Contudo, hidrogéis e nanogéis com propriedades inovadoras foram desenvolvidos como oportunidades potenciais biocompatíveis e biodegradáveis ??para o encapsulamento e entrega de medicamentos hidrofílicos para fins biomédicos. Palavras-chave: Biopolímeros; Clique em Química; Reticulação.

Abstract: Gelatin is a hydrophilic natural biopolymer obtained from the hydrolysis of collagen and widely used as part of the synthesis of biomedical devices, mainly due to its biodegradability, biocompatibility, and low toxicity. However, due to its poor mechanical resistance and low thermal stability, it has usually been modified for specific biomedical purposes. The rich amino acid chain and the presence of diverse functional groups allows the synthesis of biomaterials with desirable characteristics and improved properties. In this sense, the poly(ß-amino esters), PBAEs, has emerged as a valuable nanocarrier (NC) for drugs by facilitating the membranes permeability and by having inherent characteristics of tertiary amines and esters, such as pH-responsiveness and biodegradability. Therefore, the goal of this study was the synthesis of hydrophilic, biocompatible, and biodegradable NPs, ?acrylated? and/or crosslinked to serve as NCs for hydrophilic drugs in biomedical applications. For that, nanogels and hydrogels of PBAEs based on modified gelatin were synthesized and characterized. The aza-Michael addition reaction was employed to develop the hydrogels using 1,4-butanediol diacrylate as a crosslinker in solution. The ?acrylated? and/or crosslinked GNPs were prepared via interfacial polymerization with the same crosslinker in inverse miniemulsion and/or followed by free radical photopolymerization using a photoinitiator. Neat gelatin was characterized in relation to its molecular weight (GPC and SLS), physical and thermal properties and free primary amino groups (TNBS test). The hydrogels synthesized were characterized by FTIR, XRD, TGA, DSC, modification degree (????), swelling ratio and by Flory-Rehner theory, while for GNPs, the particle size and polydispersity index, zeta potential, ????, encapsulation efficiency and morphology. Gelatin has a molecular weight of around ???? = 539.127 g·mol-1 and e = 0.305 mmol of lysine·ggelatin-1. Hydrogels with ???? between 26.4 and 62.9% were obtained and crosslinker incorporation was verified by FTIR and XRD spectra. In relation to neat gelatin, the thermal stability of the hydrogels showed a slight reduction for formulations with higher ????, this behavior being attributed to the plasticizing effect of the crosslinker used. An increase in the swelling ratio and mesh size of the network was observed with ???? increases. Additionally, for GNPs, ???? between 45.6 and 70.4% and particles with average diameters between 185 and 202 nm were obtained with a narrow particle size distribution (PDI < 0.2). For redispersed GNPs at different pH and at 37 ºC, the negative zeta potentials were associated with the contribution of several observed effects. The maximum encapsulation efficiency in the redispersed GNPs was 34.5% with 11.2 µgDOX·gpolymer-1 encapsulated. Furthermore, approximately spherical structures with an average diameter of 499.3 ± 178.5 nm were observed by transmission electron microscopy. The fluorescence study by optical microscopy confirmed DOX encapsulation, however, it was not possible to obtain conclusive information regarding encapsulation and release of DOX from confocal microscopy. However, hydrogels and nanogels with tunable properties have been developed as potential biocompatible and biodegradable platforms for the encapsulation and delivery of hydrophilic drugs for biomedical purposes.