Univerzitet u BeograduTehnoloko-metalurki fakultet

Seminarski radPredmet: Polimerni biomaterijaliTema: Nanovlakna kao nosai lekova

Profesor: dr Simonida TomiStudent: Zorka uriBr.indeksa: 4014/2011Smer: Inenjerstvo materijala

Beograd, jun 2012UVOD

Glavni cilj savremene medicine je rana i tana dijagnostika poremeaja u organizmu praena preciznom i efikasnom terapijom sa minimalnim sekundarnim efektima. Za tu namenu dugi niz godina istrauju se naini za unapreenje dijagnostikih i terapijskih strategija. Upravo ta istraivanja omoguila su razvoj biomaterijala- materijala koji se mogu primeniti u ivom organizmu. Bionanotehnologija je razvijena kao posebna disciplina u okviru nanotehnologije koja se bavi razvojem materijala za bioloku aplikaciju i orijentisana je ka usavravanju osnovnih karakteristika materijala, kao to su sastav, struktura i morfologija, u cilju postizanja optimalnih svojstava nanoestinih ili nanostrukturnih materijala pogodnih za primenu u ivom organizmu. Fiziko-hemijska svojstva materijala koji sadre nanoestice su promenjena u odnosu na svojstva koja ima materijal istog hemijskog sastava izgraen iz estica veih dimenzija. Kod nanostrukturiranih biomaterijala vana je injenica da su njihove dimenzije uporedive sa veliinom elijskih komponenti, proteina, nukleinskih kiselina, virusa, to prua mogunost njihove meusobne interakcije na molekulskom nivou. Nanostrukturni biomaterijali se dugi niz godina primenjuju u razliitim oblastima medicine. Neke od njihovih primena odnose se na izradu kontrastnih agenasa, biomarkera i biosenzora koji imaju dijagnostika svojstva, kao i u regenerativnoj, rekonstruktivnoj i plastinoj hirurgiji za izgradnju implantata (kostiju, miia, nerava, soiva, krvnih sudova itd.), i farmaciji (dostava medikamenata i gena), u kojima oni imaju terapijsku funkciju. Kada je re o doziranju medikamenata, primena razliitih biomaterijala kao nosaa lekova omoguila je razvoj vremenski kontrolisanog doziranja lekova.

1. Nanotehnologija i nanomedicinaNanotehnologija je iroka interdisciplinarna oblast istraivanja koja se eksplozivno razvija poslednjih godina. Proizvodnja nanomaterijala kao to su klasteri, nanoestice, nanovlakna, nanoice, nanotube, tanki filmovi, itd. je kljuna komponenta uspenog razvoja nanotehnologije zahvaljujui njihovim neobinim i izvanrednim fizikim i hemijskim osobinama koje su rezultat efekta nano veliine. Pored toga, nanotehnologija ima veliki znaaj i primenu u biomedicinskim istraivanjima i klinikoj primeni zato to su nanoobjekti slinih dimenzija kao i bioloki entiteti, na primer: elija, organela, DNK itd. Posebne karakteristike nanostruktura poveavaju efikasnost i preciznost medicinske dijagnostike, ispitivanja i terapije na nivou pojedinanih molekula ili molekulskih struktura. Princip konvencionalne medicine je takav da se bolesne elije uklone hirurgijom ili radioterapijom ili hemoterapijom, to moe uticati i na zdrave elije. Nanomedicina pokuava da ili otkloni odreene, patogene elije ili reparira eliju po eliju. Na primer, kontrolisana dostava odgovarajue koliine lekova se moe bazirati na molekulskoj biosenzorskoj informaciji. Slika 1. Prikaz nanoica i nanorobotaPrimena nanoestica u biomedicini i biotehnologiji je predmet posebnog interesovanja u istraivakim i razvojnim projektima sa potencijalnom primenom, koja ukljuuje korienje nanoestica kao nosaa za medikamente ili DNK-a, kao biosenzori, kao komponente u medicinskim dijagnosticima itd..

1.1. BiomaterijaliBiomaterijali su materijali koji se koriste za zamenu ili obnavljanje tkiva i pri tome su kontinualno ili diskontinualno u kontaktu sa telesnim fluidima. Zajednika osobina svih biomaterijala bez obzira na njihove razliitosti je biokompatibilnost, to znai da ne smeju izazivati negativne pratee efekte u organizmu, odnosno, ne sme doi do toksinih, alergijskih ili kancerogenih reakcija, imunoloki odgovor ili odbacivanje organizma. Biokompatibilnost se odnosi na reakciju polimera sa tkivima i krvlju, zavisno od mesta i cilja primene. Materijali koji se koriste za reparaciju ili obnavljanje tkiva prvenstveno moraju zadovoljiti uslove bioloke inertnosti i mehanika svojstva slina svojstvima tkiva. Inertni biomaterijali ne stvaraju vezu sa okolnim tkivom ve je najei odgovor tkiva na implant od inertnog biomaterijala, stvaranje fibroznog tkiva oko implanta to ponekad moe dovesti i do njegove potpune izolacije usled ega moe doi do deformisanosti implanta ili njegovog pomeranja to moe prouzrokovati oteenje okolnog tkiva. Biomaterijali koji se danas koriste obuhvataju niz razliitih materijala: polimere, keramiku, metale i razne kompozite. Kompozitni materijali su materijali koji su sastavljeni od dva ili vie materijala i pritom su im osobine mnogo bolje od osobina komponenata. Mogu biti tipa metal/metal, metal/polimer, metal/keramika, keramika/keramika, keramika/polimer, polimer/polimer, itd.Znaaj polimera kao biomaterijala je vrlo veliki jer se mogu sintetizivati tako da imaju odgovarajua hemijska, fizika, povrinska, mehanika i biomimetika svojstva koja su vana za specifine primene, pogotovo u farmaciji i inenjerstvu tkiva. Pri sintezi polimera, mogu se kombinovati razliiti sastavi i tehnike polimerizacije da bi se dobio niz razliitih struktura i svojstava. Glavni uslov za korienje polimera u najrazliitije medicinske svrhe je njihova biokompatibilnost, neizazivanje prekomernog hroninog zapaljenksog procesa nakon implantacije kao i za one koje degradiraju, da degradacioni proizvodi ne budu toksini za organizam. Polimeri koji se koriste kao biomaterijali, moraju se paljivo izabrati i karakterisati. Svojstva polimera- mehanika jaina, gustina, elastinost, starenje, otpornost na puzanje imaju jako vanu ulogu pri izboru polimera za razliite namene. Morfologija u masi polimera je takoe bitna jer od nje zavise fizika svojstva biopolimera. Takoe je bitna i poroznost biomaterijala. Ona mora biti podeena tako da permeabilnost i transport mase za gasove i vodene ratsvore bude odgovarajua, tj. da razmena proteina, hranljivih materija i kiseonika bude omoguena izmeu implanta i tkiva u organizmu. Polimeri koji se koriste kao biomaterijali mogu biti prirodni, sintetski ili kombinacija ove dve vrste. Prirodni polimeri (kolagen, albumin, agaroza, alginat, heparin, hijaluronska kiselina itd.) postoje u velikim koliinama pa su pristupani i obino su biodegradabilni. Njihova osnovna mana je u pronalaenju reproduktivnih metoda dobijanja, jer je velika kompleksnost strukture esto prepreka za njihovo dobro preiavanje i modifikaciju. Za razliku od njih, sintetski polimeri se mogu dobiti sa velikim varijacijama u sastavu i strukturi, pa stoga postoji velika mogunost prilagoavanja svojstava polimera potrebama za datu primenu. Kopolimerizacija, pravljenje kompozita, smea polimera i razliite metode prerade, daju mogunost optimizovanja hemijskih, fizikih, mehanikih, difuzivnih i biolokih svojstava. Veoma popularni sinteski polimeri koji se koriste u medicini su - poli(-hidroksi estri) kao to su poli(laktid) (PLA), poli(glikolid) (PGA) kao i kopolimer poli(laktid-ko-glikolid) (PLGA). Odlikuju ih biokompatibilnost, uglavnom ne dovode do inflamantarnog odgovora, a hidrolizom kao i moguim enzimskim reakcijama degradiraju in vivo u produkte koji su odstanjuju iz tela regularnim metabolikim putevima. Ovi polimeri se ispituju i koriste kao nosai u inenjerstvu tkiva, za kontrolisano otputanje lekova ili proteina, izradu membrana, filmova, konaca za uivanje rana, fiksaciju kotanih fraktura. Praktino, brzina degradcije PLGA se moe menjati promenom odnosa dve monomerne komponente.

1.2. Kontrolisano i ciljano otputanje bioloki aktivnih supstanci vezivanjem za nosae

Dizajniranje, projektovanje i potencijalna primena sistema za kontrolisanu dostavu fizioloki aktivnih supstanci (u daljem tekstu FAS), poslednjih godina doivljava pravu ekspanziju i predstavlja oblast interesovanja mnogih istraivaa. Optimizacija naina primene FAS, u smislu nalaenja optimalne farmaceutske forme i kinetike otputanja je neophodna u sluaju primene jakih i specifinih, ali i labilnih i kompleksnih bioterapeutskih agenasa, ukljuujui i enzime koji u veini sluajeva zahtevaju i preciznu lokaciju u ciljanom tkivu. Jedan od naina da se postigne ovaj cilj je vezivanje FAS za nosae. Nosai mogu biti sintetiki ili prirodni polimeri, fosfolipidni lipozomi, albumin, antitela ili drugi bioloki molekuli. Mesto otputanja aktivne supstance, momenat poetka njenog otputanja, vremenski interval i koliina FAS koja e u toku vremena biti otputena najvie zavise od osobina nosaa. Preciznim dizajniranjem osobina nosaa prua se mogunost da aktivne supstance budu dostavljani u skladu sa specifinim potrebama terapije, dijagnoze ili prevencije bolesti. Na taj nain se postiu poveanje preciznosti i kontrole leenja to omoguava unapreenje efikasnosti, skrauje vreme leenja i potencijalno ublaava ili potpuno uklanja pojavu neeljenih efekata.

Aktivne supstance koje su kuplovane za nosae, nakon unoenja u organizam svoje efekte ostvaruju zahvaljujui tome to nosai omoguavaju:

(a) Kontrolisano otputanje aktivne supstance,(b) Odloeno (inicirano) otputanje aktivne supstance, i(c) Ciljanu dostavu aktivne supstance.Slika 2. Naini otputanja aktivnih supstanci inkapsulranih u ili vezanih za razliite nosae

1.2.1.Kontrolisano otputanje. Osnovna karakteristika ovakvog naina otputanja aktivne supstance vezane za nosa je to to kinetika otputanja zavisi od postepene promene svojstava izazvano nekim od okolnih, spoljanjih faktora (pH sredine, temperatura, prisustvo enzima, itd.) koja su specifina za primenjeni nosa- poput degradacije biodegradabilnih polimera u fiziolokim uslovima (Slika 2.a). Krajnji cilj kontrolisane dostave medikamenta jeste postizanje ravnomernije, efikasnije koncentracije medikamenta tokom dueg perioda vremena, smanjenje sporednih, neeljenih efekata, eliminisanje potencijalne predoziranosti kao i prevazilaenje nedovoljne, tj. neefikasne koncentracije medikamenta. Odravanjem koncentracije leka na odreenom nivou izbegava se njegovo esto apliciranje i samim tim se poveava komfornost pacijenata. Mane ovakvog naina dostavljanja lekova su: via cena sistema za kontrolisanu dostavu, mogua ne biokompatibilnost upotrebljenih materijala, nepoeljni produkti degradacije, hiruki zahtev za uklanjanjem implanta. Idealan sistem za kontrolisanu dostavu bi trebalo da bude inertan, biokompatibilan, odreenih mehanikih osobina, da njegovo apliciranje bude dovoljno komforno za pacijenta, da je efikasnost inkapsulacije medikamenta unutar estice (polimerne matrice) zadovoljavajuca, da je jednostavan za administraciju i uklanjanje kao i da je lak za sintezu i sterilizaciju. Specifina forma ovog oblika otputanja aktivnih supstanci je tzv. lokalno otputanje kod koga je nosa zajedno sa inkapsuliranom FAS lokalno implantiran na mestu na kom je predvieno njegovo dejstvo. Jedan od primera ovakvog naina davanja aktivnih supstanci je lokalno intramuskularno otputanje antidijabetika.

1.2.2.Odloeno ili inicirano otputanje. Ovaj nain otputanja aktivnih supstanci vezanih za nosae odlikuje programiranost momenta u kome e otputanje FAS zapoeti (Slika 2.b). Za ovaj vid otputanja koriste se nosai koji poseduju mogunost promene odreenog svojstva pod uticajem varijacije spoljanjih parametara kao to su temperatura, kiselost ili koncentracija odreenog agensa. U momentu kada nastupi promena nekog od parametara, a koja su karakteristina za patoloko stanje okruenja, svojstva materijala- nosaa se menjaju to omoguava otputanje FAS. Za ovu namenu se najee primenjuju polimeri koji imaju sposobnost promene stanja pod uticajem nekih od parametara okruenja. Primer je prelaz iz tubularne u planarnu strukturu polimera, koja omoguava otputanje aktivnih supstanci, a inicirana je odstupanjem od prosene temperature ivog organizma.

1.2.3.Ciljana dostava. Ciljano otputanja FAS karakterie to to se nosa, koji se u ovom sluaju naziva i vektorom, kree ka mestu na kome aktivna supstanca treba da ispolji svoje dejstvo (Slika 2.c). Na ovakav nain se kontrolie mesto na kom e FAS biti osloboena. Nain na koji se ovo postie najee podrazumeva modifikaciju povrinskih karakteristika nosaa kao to je vezivanje liganada sposobnih da se specifino veu za odgovarajue receptore. Alternativni nain usmeravanja nosaa sa FAS ka ciljnom mestu odnosi se na mogunost manipulacije primenom spoljanjeg polja (elektrinog, magnetnog, ultrazvunog, itd). U tom sluaju vektor mora da poseduje karakteristike koje ga ine osetljivim na spoljanje uticaje kako bi se postiglo njegovo kretanje kao i mogunost vizuelizacije koja olakava njegovo usmeravanje. Ovaj nain dostave aktivnih supstanci trenutno privlai dosta panje upravo zbog mogunosti manipulacije na elijskom ili subelijskom nivou. Na taj nain se postie vea specifinost leenja koja je naroito vana u sluaju primene antibiotika i antikancerogenih supstanci.

Danas postoji izuzetno veliki broj razliitih nosaa lekova razvijenih u skladu sa potrebama potencijalne aplikacije. Njihovo konstantno usavravanje prati uzlazni trend broja zahteva kojima se definie pogodnost savremenog materijala za biomedicinsku primenu. Generalno, do sada razvijeni nosai lekova koji mogu se podeliti u tri grupe:(a) Sintetski (polimeri, neorganske nanoestice, kompoziti, itd.)(b) Prirodni (proteini, peptidi, enzimi, itd.)(c) elijski nosai (makrofagi, eritrociti, bakterije, virusi, itd.)

1.2.4.Sintetski nosai lekovaPolimerni materijali zauzimaju izuzetno vano mesto u dostavi FAS jo od otkria mogunosti vremski kontrolisane difuzije molekula leka koji odlikuje hidrofobnost i mala molekulska masa kroz silikonski nosa 1964.godine. Oni pripadaju onoj grupi materijala koji se danas intenzivno primenjuju i konstantno unapreuju u cilju formiranja naprednih nosaa lekova a razlog ovolike primene polimera u dostavi lekova je neograniena promenljivost topologije i hemijskog sastava. Novi nanosistemi- polimerne estice, lipozomi, kvantne take i metal/metaloksidne materijali razvijen je u cilju terapijskog i dijagnostikog dostavljanja FAS. Najvei znaaj ove vrste materijala je u mogunosti postizanja izrazito boljih karakteristika, kao to su citokompatibilnost, mehanike, elektrine, optike, katalitike i magnetne, u poreenju sa tradicionalnim materijalima.

1.2.5. Prirodni nosai lekovaGlavna prednost primene prirodnih materijala (proteina, enzima, peptida, itd.) kao nosaa lekova je veoma dobra biokompatibilnost. Za razliku od sintetskih materijala koje treba posebno dizajnirati na takav nain da se postignu to bolji uslovi za primenu u ivim organizmima, prirodni materijali su napravljeni prirodnim procesima to im obezbeuje karakteristike koje su preduslov za dobru interakciju sa organizmom. Meutim, zbog nedovoljno razvijenih biotehnolokih metoda, procesi koji omoguavaju izolovanje iz prirodnih izvora ne obezbeuju visok stepen istoe ovih materijala, to povlai za sobom skupe tehnike preiavanja i mogunost promene nekih od karakteristika koje su prvobitno posedovali nakon sinteze u ivom organizmu. Zahvaljujui dobro razvijenim povrinskim karakteristikama ovi materijali se veoma esto koriste za funkcionalizaciju sintetskog materijala za ciljanu dostavu lekova do specifinog mesta ili kao materijali koji iniciraju otputanje leka (u sluaju enzimski katalisane dostave medikamenata). Enzimi pored mogunosti da kontroliu otputanje leka iz nosaa imaju takoe i mogunost njihove aktivacije, odnosno prevoenja iz neaktivne forme proleka u aktivnu formu leka.

1.2.6. elijski nosai lekovaJedan od najsavremenijih naina dostave lekova koji se danas intenzivno istrauje odnosi se na primenu elija kao nosaa lekova. Za tu namenu koriste se razne vrste elija, poput matinih i elija krvnog tkiva, kao i jednoelijski organizmi poput bakterija i virusa. Kada je re o elijskim nosaima lekova, za tu namenu se najee primenjuju eritrociti (crvena krvna zrnca). Pored toga to su prirodni, sigurni i sposobni da prenesu veliku koliinu leka, oni imaju mogunost inkapsulacije enzima kada imaju ulogu bioreaktora. Tehnike inkapsulacije leka u okviru eritrocita su izuzetno jednostavne i baziraju se na hipoosmotskoj dijalizi. Selektivni transport do precizno definisanog organa ili tkiva, koji omoguavaju eritrociti, naroito je vaan za dostavu aminoglikozidnih antibiotika, antikanceroznih lekova i sistematskih kortikosteroida. Izuzetno je znaajna mogunost formiranja takozvanih paramagnetnih eritrocita, koji se dobijaju inkapsulacijom kontrastnih agenasa, a koji imaju vanu funkciju u dijagnostici ranih stadijuma patolokih stanja. elijski nosai lekova, generalno, imaju veliku prednost u odnosu na sve do sada procesirane prirodne ili sintetske nosae u smislu istovremene prirodne biokompatibilnosti i funkcionalizacije. Ove osobine elijskim nosaima lekova omoguavaju ulogu vektora sposobnih da nesmetano prou kroz sve bioloke membrane (anatomske, fizioloke, fagocitne ili inflamatorne), nemaju mogunost aglomeracije i promene morfolokih i povrinskih karakteristika u fiziolokim uslovima, otporni su na metabolike procese i sposobni su da slobodno putuju kroz krvotok do tano definisanog mesta u organizmu na kom lek treba da ispolji svoje dejstvo. Sa druge strane, i pored navedenih osobina ove vrste nosaa, njihova primena u humanoj medicini je izuzetno ograniena. Glavni problemi koji spreavaju njihovu iru upotrebu prvenstveno se odnose na nemogunost adekvatnog skladitenja, izrazitu sposobnost kontaminacije I odustvo validiranih industrijskih procedura za njihovo procesiranje u vidu leka.

2. ElektrospiningElektrospining je jedinstvena, jednostavna i svestrana tehnologija proizvodnje polimernih vlakana, delovanjem elektrinog polja na mlaz polimernog rastvora ili rastopa, veoma malih dimenzija od nekoliko nanometara do nekoliko mikrometara (50-500nm) i ciljanih fiziko-hemijskih svojstava. Elektrospining, prvi put razvijen 1934.godine, koristi se vie od 70 godina i jo uvek se razvija za proizvodnju kontinualnih vlakana. Termin elektrospining, izveden iz elektrostatiki spining, je skovan relativno skoro. Poslednje dve decenije je znatno napredovao i sve veu primenu nalazi u kontrolisanoj dostavi lekova, u oblasti energije, IT, preiavanju itd., verovatno zbog sve veeg interesa istraivaa da se fokusiraju na nanotehnologiju, s obzirom da ultra fina vlakna ili fibrozne strukture razliitih polimera sa prenicima na submikronskoj i nanoskali mogu biti lako proizvedeni pomou ovog procesa. Sam proces zapoinje rastvaranjem leka od interesa i polimera u odgovarajuem rastvarau. Zatim se polimerni rastvor ili rastop prebacuje u pric nakon ega se primenjuje elektrostatiko polje visokog napona. Delovanjem elektrinog polja mlaz vlakana se ubrzava i stanjuje i kree ka uzemljenom metalnom kolektoru suprotnog naelektrisanja (slika 3). Krajnji proizvod je 3D netkani material sa velikom specifinom povrinom.

Slika 3. Shematski prikaz ureaja za elektrospining

Osnovni delovi ureanja za elektrospinig:1. pric ispunjen polimernim rastvorom koji ga istiskuje pod uticajem elektrinog polja. Brzina izbacivanja rastvora se kree u opsegu od 0,1 do 120 ml/h. Osim brzine i zapremina istisnutog rastvora se takoe moe prilagoditi.2. Kolektor vlakana sa mogunou regulisanja brzine obrtanja i brzine translacije, obloen aluminijumskom folijom. 3. Izvor visokog napona.

Parametri koji utiu na sam proces su:1. Sistemski parametri: molekulska masa, distribucija molekulskih masa i struktura (razgranata, linearna) polimera, osobine polimernog rastvora (viskozitet, provodljivost, dielektrina konstanta, povrinski napon)2. Procesni parametri: elektrini potencijal, protok i koncentracija, rastojanje izmeu kapilare i kolektora, ambijentalni parametri (temperatura, vlanost i brzina vazduha u sobi) .Odgovarajuim kombinovanjem jednog ili vie parametara, nanovlakna mogu biti uspeno elektrospinovana od razliitih materijala ukljuujui polimere, biopolimere, DNK, proteine, kompozite, keramiku pa ak i male makromolekule kao to su fosfolipidi.Procesne tehnike kao to su crtanje, sinteza na kalupu, fazna separacija i samoorganizacija se takoe koriste za dobijanje polimernih nanovlakana. Meutim, ove metode imaju nekoliko mana kao to su: ogranienost materijala, vremenski su zavisne i zahtevaju sloene procesne sisteme. to se tie elektrospininga, on nije samo jednostavan top-down proces za proizvodnju nanovlakana, ve omoguava I kombinovanje sa hemijskim umreavanjem kako bi se obezbedili razni naini kontrole hemijskog sastava nanovlakana. Ovakav nain kombinovanja dva procesa obezbeuje bolje osobine vlakana, kao to su jaina, teina, elastinost, poroznost i naelektrisna povrina. tavie, elektrospining takoe prua mogunost inkapsuliranja nanoestica u matricu nanovlakna. Funkcionalne mikro/nano estice mogu biti dispergovane u polimerne rastvore, nakon ega bi bili elektrospinovani da bi oformili kompozite u formi kontinualnih nanovlakana. Pored toga, izgleda da je elektrospining jedini metod koji moe biti razvijen za masovnu proizvodnju jedan-po-jedan kontinualnih nanovlakana iz razliitih polimera. Tokom poslednjih nekoliko decenija, nauka o polimerima je okosnica farmaceutike. Mnogi farmaceutski polimerni ekscipijensi se esto koriste u razvoju novih sistema za isporuku lekova (DDS). Kombinovanje elektrospininga sa farmaceutskim polimerima prua nove strategije za razvoj novih sistema za isporuku lekova, i kroz samu manipulaciju procesa elektrospininga, moe se pruiti fleksibilnost za dizajniranje osobina sistema za isporuku lekova.

3. Karakteristike elektrospinovanih vlakanaPolimerna nanovlakna imaju prenik od nekoliko nanometara do 1 m (50-500nm) i poseduju jedinstvene karakteristike, kao to su: neobino velika specifina povrina (npr nanovlakna sa prenikom od 100 nm imaju specifinu povrinu od 1000m2/g)- 1000 puta vea od specifine povrine mikrovlakana, velika poroznost, odlina strukturno mehanika svojstva, ekstremna fleksibilnost i isplativost izmeu ostalog. Velika specifina povrina je veoma znaajna za isporuku slabo rastvorljivih lekovitih supstanci. U farmaceutskoj industriji, skoranji trendovi otkrivanja lekova doveli su do razvoja znaajnog broja jedinjenja, jako aktivnih sa vrlo slabom rastvorljivou to dalje zahteva napredne metode za dobijanje efikasnih farmaceutskih lekova na nanonivou. Pored toga, mogue je modifikovati ne samo morfologiju i njihov sadraj ve je mogue i funkcionalizovati njegovu povrinu. Nanovlakna nakon sinteze mogu biti fukcionalizovana (na primer hemijskim ili fizikim taloenjem). tavie, mogue je ak i kontrolisanje sekundarnih struktura nanovlakana sa ciljem da se priprema vlakna sa jezgro/omota strukturom, nanovlakna sa uplinama i nanovlakna sa poroznom strukturom. Ekonomski, elektrospining, nano-manufakturni proces je relativno jeftin u poreenju sa ostalim metodama koje se koriste za dobijanje nanovlakana. Dobijena nanovlakna su esto uniformna, kontinualna i ne zahtevaju skupe protokole preiavanja. Zahvaljujui ovakvim osobinama, nanovlakna se mogu primeniti u raznim oblastima, kao to su: kompozitni materijali sa ojaanjem, senzori, preiavanje, kataliza, biomedicina (ukljuujui skafolde za inenjerstvo tkiva, implante, membrane i sisteme za isporuku lekova), solarne elije, mikro i nanoelektroniku.

4. Polimerna nanovlaknaPolimerna nanovlakna se mogu koristiti za razne namene: ureaji za preiavanje, za izradu medicinskih proteza, skafolda za inenjerstvo tkiva, obloge za ranu, kozmetike maske za kou, zatitna odea za vojsku, razvoj nanokompozita, nanosenzora, kao materijal za mikro/nano elektronske ureaje, materijali za razvoj ureaja za elektrostatiko rasipanje, materijali za razvoj fotonaponskih ureaja, materijale za razvoj LCD ureaja, za razvoj ultra laganih kosmikih materijala, za razvoj visoko efikasnih i funkcionalnih katalizatora, kao i materijale sa poboljanim elektrinim, optikim i piezoelektrinim svojstvima.

5. Nanovlakna kao nosai lekova Elektrospinovana nanovlakna kao sistemi za isporuku lekova su u ranoj fazi istraivanja. Mnoga istraivanja su fokusirana na pripremu i karakterizaciju polimernih nanovlakana. Do danas se veruje da se oko sto razliitih polimera, veina rastvorena u rastvaraima, moe uspeno elektrospinovatu u ultra fina vlakna.Kenay i saradnici su bili prvi koji su opisali dobijanje elektrospinovanih vlakna kao sistema za isporuku lekova (slika 4). Za ispitivanje profila i kinetike otputanja kao model lek korien je tetraciklin hlorid. U vlakna, koja su izgraena ili od poli(laktidne kiseline), poli(etilen-ko-vinil acetata) ili od blendi iz rastvora hloroforma, u odnosu 50:50 su inkapsulirali tetraciklin hidrohlorid (TH) zbog ve poznatog dejstva tetraciklin hidrohlorida-PEVA monolitikih vlakana tokom leenja periodontalne bolesti. S obzirom da se TH ne rastvara u hloroformu, kao solubilizator leka koristili su metanol. Nakon rastvaranja leka, lek su dodali u polimerni rastvor. Na kraju je dobijen uti rastvor, ali ist to ukazuje na homogenu solubilizaciju i polimera i leka. Dobijeni rastvor je potom tretiran elektrospining procesom, sa ciljem dobijanja ultrafinih vlakana. Prenik se kretao u opsegu od 100 do 250 m. Kenay i ostali su pokazali da su PEVA vlakna imali vee brzine otputanja leka u poreenju sa blendama i PLA. Tokom 120h PEVA vlakna su otpustila 65% ukupne koliine leka, a blende oko 50%. Profili otputanja leka su pokazali obeavajue rezultate u poreenju sa komercijalno dostupnim Actizitom (Alza Corporation, Palo Alto, CA).

Slika 4. Shematski prikaz elektrospining sistema.

Istraivanja su se potom fokusirala na dobijanje nanovlakana iz razliitih polimera sa razliitim mogunostima inkapsulacije lekova kao odgovarajuim sistemima za isporuku lekova, kao to su transdermalni, brzo rastvarajui i implantabilni sistemi. Luu i saradnici su koristili elektrospining za proizvodnju kompozitnih polimer/DNK skafolda za terapeutsku primenu u genskoj isporuci. Tokom procesa elektrospininga mnogi faktori mogu biti manipulisani sa ciljem dobijanja skafolda razliite geometrije i sa razliitim strukturnim osobinama. Ovo ukljuuje parametere samog procesa: elektrini napon, duina i prenik ureaja za predenje, protoka rastvora i parametre rastvora: koncentracija, viskoznost, jonska jaina i provodljivost. Dobijeni skafold je netkan, nanovlaknast, membranozne strukture, sainjen prvenstveno od poli(laktid glikolne kiseline) i poli(D,L-laktid)-poli(etilenglikol) blok kopolimera (slika 5). Otputanje plazmida DNK iz kompozita trajalo due od 20 dana. Kumulativni profili otputanja ukazuju da otputene koliine iznose otprilike 68-80% od poetne inkapsulirane koliine DNK. Rezultati su pokazali da je direktnim otputanjem DNK iz ovih nanovlakana, DNK ostao intaktan, sposoban za celularnu trasnfekciju i uspeno je ekspresovao kodiranu -galaktozidazu.

Slika 5 Morfologija elektospinovanih skafolda

Zbog velike specifine povrine, elektrospinovana nanovlakna se esto koriste za inkapsulaciju nerastvornih lekova kako bi poboljala njihova nerastvorna svojstva. Tungprapa i ostali, su dobili ultra fina vlakna od celuloze acetata (CA) za inkapsulaciju etiri razliite vrste leka, na primer: naproksen (NAP), indometacin (IND), ibuprofen (IBU) i sulindak (SUL). 16% w/v CA su rastvorili u smeu ratsvaraa acetone/N,N-dimetilacetamid (DMAc) u odnosu 2:1v/v. Na povrini vlakna nisu bili primeeni agregati leka. Maksimalne koncentracije otputanja lekova iz vlakana su sledile sledei redosled: NAP>IBU>IND>SUL i nisu odgovarale njihovim osobinama rastvaranja. Taepaiboon i sar. su opisali da molekulska masa lekova ima najvei uticaj na brzinu i koliinu otputenih lekova iz elektrospinovanih PVA nanovlakana (tabela 1). Sa poveanjem molekulske mase, brzina i koliina inkapsuliranih lekova opada. Oni su takoe opisali da su PVA nanovlakna uspeno dobili pomou elektrospininga i razvili su ih kao nosae lekova za transdermalni sistem otputanja lekova. Iako su naproksen i indometacin vodonerastvorni lekovi, natrijum salicilat, nerastvoran u vodi, takoe je uspeno inkapsuliran u PVA vlakna.

Tabela 1. SEM mikrografije PVA nanovlakana u koje su inkapsulirane razliite koliine lekova

Zhang i saradnici su pokazali da su uspeno inkapsulirali govei albumin seruma (BSA) konjugovan sa fluoroscentnim izotiocijanatom zajedno sa vodorastvornim PEG u degradabilna vlakna poli(kaprolaktona) PCL, koristei koaksijalni elektrospining (slika 6). Laser konfokalna skenirajua mikroskopija, transmisiona elektronska mikroskopija i X-raz fotoelektro su metode koje su koriene za karakterizaciju inkapsulacije fluoroscentnog BSA zajedno sa PEG-om unutar PCL vlakana. U poreenju sa obinim elektrospiningom, jezgro-omota struktura PCL/fluoroscentniBSA/PEG je izrazito ublaio poetni efekat otputanja proteina i omoguio due otputanje.

Slika 6. Shematiski prikaz koaksijalnog elektrospining ureaja I mikrografije koaksijalnih eketrospinovanih PCL-r-fitcBSA/PEG nanovlakana

Xu i saradnici su metodom elektrospininga u kombinaciji sa emulzionom tehnikom dobili i ispitali citotoksinost ultra finih PEG-PLA nanovlakana, multifunkcionalnog sistema, u koje su inkapsulirali i paklitaksel (hidrofoban)(PTX) i doksorubicin hidrohlorid (hidrofilan) (DOX) sa ciljem kombinovane terapije (slika 7). Vodenu fazu je inio DOX, a uljanu fazu PEG-PLA rastvoren u hloroformu i PTX. Zbog svoje velike hidrofilnosti, DOX moe lako da difunduje iz vlakna i njegova brzina otputanja je vea od brzine hidrofobnog PTX. tavie, otputanje DOX ubrzava otputanje PTX. In vitro citotoksinost ukazuje na to da dualna kombinacija pokazuje veu inhibiciju i apoptozu protiv Glioma C6 elija nego sistem sa jednim lekom.

Slika 7. SEM mikrografije (a) (0.5% DOX+0.5%PTX)/PEG-PLA kompozitnih vlakana, (b) (1% DOX+1%PTX)/PEG-PLA kompozitnih vlakana

Sva spomenuta istraivanja su pokazala uticaj visokog elektrinog napona na hemijsku integrisanost lekova, karakteristike nanovlakana kao nosaa lekova i mehanizme otputanja. Tungapra i Taepaiboon i sar. su potvrdili pomou nuklearne magnetne rezonancije da elektrospining nije uticao na hemijsku integrisanost lekova. Taepaibon je pokazao da su inkapsulirana PVA vlakna ispoljila bolje karakteristike otputanja gore navedenih lekova nego tanki filmovi, a Tugprapa je pokazao da se otputanje lekova iz CA filmova odvijalo u manjoj meri procesom difuzije lekova, uglavom zbog postepenog rastvaranja agregata na povrini filma. Nasuprot tome s obzirom da nisu naeni agregati na povrini CA vlakana, otputanje lekova iz inkapsuliranih vlakana se odvija uglavnom difuzijom lekova iz vlakana, budui da vlakna mogu da znatno bubre u analiziranom medijumu. tavie, nakon 24h ispitivanja otputanja leka fibrozna morfologija inkapsuliranih vlakana ostala je intaktna.Najvei broj eksperimenata do sada je bio fokusiran na istraivanja in vitro, a u manjoj meri in vivo. Klinika ispitivanja jo uvek nisu sprovedena. Ranganath i sar su opisali inkapsulaciju paklitaksela u biodegradabilne implante u formi mikrovlaknastih diskova i ploa za leenje malignog glioma in vitro i in vivo. Fibrozne matrice nisu samo pruile veu specifinu povrinu i efikasnu brzinu otputanja leka nego i potrebnu implantiranost u upljine nastale nakon operacije tumora (slika 9).

Slika 8. (A) SEM slike razliitih oblika vlakana nakon 60 danaB) Gel hromatografija razliitih oblika vlakana nakon 60

6. Nove strategije Kao to se moe videti iz prethodno priloenog, postoje brojne prednosti korienja elektrospinovanih polimernih nanovlakana kao sistema za isporuku lekova, koje se trebaju iskoristiti za razvoj novih tipova sistema za isporuku lekova.Prvo, zbog velike specifine povrine, polimerna nanovlakna pruaju koristan nain za isporuku vodonerastvornih lekova. Smatra se da je vrsta disperzija najei pogodan izbor za postizanje breg rastvaranja, a samim tim i za bioraspoloivost slabo vodorastvornih lekova. Meutim, praktina primena vrstih disperzionih sistema je ograniena zbog tekoa u konvencionalnim metodama pripreme, slaboj reproduktivnosti fizikohemijskih osobina, formulaciji doze leka i nemogunosti ostvarivanja scaling-up procesa. Elektrospinovana nanovlakna mogu pruiti nove mogunosti za postizanje breg rastvaranja i ak veoma slabo rastvorljivih jedinjenja kako bi se smanjila ogranienja oralnog doziranja.Xie i saradnici su dobili elektrospinovana PLGA nanovlakna kao implante za odloenu isporuku paklitaksela za tretiranje C6 glioma elija in vitro (slika 9). Rezultati difercijalne skenirajue kolorimetrije su potvrdili da je lek u vrstom rastvoru u polimernim mikro- i nanovlaknima. Efikasnost inkapsulacije paklitaksela iznosi 90% a lek se otputa due od dva meseca. Testovi citotoksinosti su pokazali da su IC50 vrednosti pakliteksala inkorporiranog u PLGA nanovlakna bile oko 36 mg/ml nakon inkubacije od 72 h.

Slika 10. SEM mikrografije razliitih uzoraka: (s1) PLGA mikrofibrozni filmovi (s2) PLGA nanofibrozni filmovi; (s1a) s1 pre otputanja; (s1b) s1 nakon dva meseca otputanja; (s2a) s2 pre otputanja; (s2b) s2 nakon dva meseca otputanja Drugo, profili otputanja leka mogu biti lako dobijeni modelovanjem ne samo sastava nanovlakana ve i morfologije nanovlakana, procesa i mikrostrukture. Omota-jezgro struktura je veoma korisna struktura za sve primene. Nekoliko tehnika, kao to su samoorganizacija, laser ablacija, sinteza na kalupu itd, se koriste za sintezu ultra finih jezgro-omota vlakna. Meutim i elektrospining u kombinaciji sa emulzionom tehnikom se koristi za sintezu jezgro-omota vlakna. Xu i sar. su dobili elektrospinovanjem W/O emulzije, uniformna jezgro-omota vlakna pri emu se vodena faza sastoji od vodenog rastvora poli(etilen oksida) a uljana faza od amfifilnog poli(etilen glikol)-poli(L-lakdidne kiseline) diblok kopolimera rastvorenog u hloroformu. Vlakna su izgraena na sledei nain: PEO ini jezgro a PEG-PLA je omota sa otrom granicom izmeu. Podeavanjem sastava emulzije i parametara emulzionog procesa, sveukupna veliina vlakna i relativni prenici jezgra i omotaa mogu biti postignuti. Koaksijalni elektrospining je alternativna i invazivna tehnika za sintezu jezgro-omota vlakana, za inkapsuliranje bioloki aktivnih supstani unutar polimernih nanovlakana. U karakteristinom procesu, dva ili vie polimerna rastvora se istiskuju pomou elektrostatikog napona kroz razliite ali koaksijalne kapilarne kanale, dajui na takav nain jezgro-omota kompozitna nanovlakna. Sve dok je mogue da se obradi fluid iz omotaa zajedno sa elektrospiningom, fluid koji sainjava jezgro moe ili ne mora biti elektrospinovan. Jedna od prednosti korienja ovakve tehnike je efikasna zatita lako denaturisanih biolokih agenasa i mogunost da se maskiraju sve supstance u jezgru bez obzira na interakcije izmeu leka i polimera. Stoga, lekovi, proteini, faktori rasta a ak i geni mogu biti inkorporirani u nanovlakna njihovim rastvaranjem u rastvorima koje ine jezgro. Huang i ostali su koristili koaksijalni elektrospining (slika 10) za dobijanje jezgro-omota nanovlakana za kontrolisano otputanje mnogih lekova. Omota je izgraen od bioabsorbalnog polikaprolaktona, a jezgro od dva leka, Rezveratrol i Gentamicin Sulfata. Lekovi su otputeni na kontrolisan nain i inicijalni efekat otputanja leka je izbegnut.

Slika 10. Shematski prikaz ueaja za koaksijalni spining

Kao tree, nanovlakna su izuzetno fleksibilna za izradu razliitih doziranih oblika kako bi se postigla maksimalna bioraspoloivost leka za razliite naine isporuke lekova. Elektrospinovana inkapsulirana nanovlakna se esto koriste kao predozirani oblici, poto se dalje mogu procesirati u razliite sisteme za isporuku lekova, kao to su transdermalna administracija, subkutaono implantiranje ili za rastvaranje u tene medijume za dalju administraciju, parenteralno/intramuskularno ubrizgavanje itd.Pored pripreme sistema za isporuku lekova (DDS) iz elektrospinovanih vlakana, istraivai esto kombinuju elektrospining sa ostalim specifinim supstancama da bi napravili DDS. Shalaby opisuje delimino adsorbovane, vlaknaste kompozite oblika zvona, ili oblika niti, sa modifikovanim zavretcima kao nosae za bioloke agense. Kompozit obuhvata adosrbovano vlakno koji omoguava vremenski zavisne, mehanike osobine biostabilnih elastomernih matrica koje sade adsorbovane mikroestine jon izmenjivae za podeavanje procesa otputanja bioaktivnih agenasa tokom eljenog perioda vremena na specifinom biolokom mestu, kao to su vaginalni kanal, peritonealna upljina, prostata ili subkutaona tkiva.etvrto, elektrospinovana nanovlakna esto imaju veu efikasnost inkapsuliranja leka nego druge tehnologije. Xie i ostali su opisali inkapsulaciju paklitaksela u PLGA mikro- i nanovlakna. Vise od 90% paklitaksela je uspesno inkapsulirano. Paklitaksel inkorporiran u elektrospinovana biodegradabilna mikro i nanovlakna su obeavajui sistemi za leenje tumora mozga kao alternativni sistemi za isporuku lekova. Xu i ostali su pokazali da je vodorastvorni antikancer lek, doksorubicin hidrohlorid bio potpuno inkapsuliran unutar elektrospinovanog poli(etilen glikol)-poli(L-laktidna kiselina) nanovlakna kada je njegov sadraj u vlaknima iznosio oko 5 wt%. Druge pednosti nanovlakana, kao to je mali prenik vlakana, mogu obezbediti krai difuzioni put. Takoe, velika specifina povrina olakava prenos mase i efikasno otputanje leka.

7. Neki izazovi i mogua reenjaIako je u literaturi pokazano da je elektrospining korisna tehnika za dobijanje novih DDS, jo uvek postoje neki izazovi u vezi dobijanja elektrospinovanih DDS nanovlakana.Elektrospining je jednostavna mikro-procesirajua tehnika za pravljenje ultra finih nanovlakana iz rastvora ili rastopa polimera velike molekulske mase. Pre svega, najvei izazov lei u shvatanju samog procesa elektrospininga. Kako bi se kontrolisale osobine, geometrija i masovna proizvodnja nanovlakana, neophodno je da se kvantitativno razume kako elektrospining transformie rastvor fluida kroz kapilarnu cev milimetarskih dimenzija u vrsta vlakna koja su etiri do pet redova manjeg prenika. Drugo, efikasnost elektrospininga je jo uvek uskog grla. Procesiranje na vie mlaznica bi se trebalo ispitati jer bi to oformilo platformu za industrijalizaciju elektrospininga. Do danas, najvise su se radila ispitivanja in vitro. tavie, za konkretne primene bi trebalo reiti jo nekoliko problema kao to su samo inkapsuliranje leka, efekat naglog inicijlnog otputanja leka, rezidualni organski rastvarai, stabilnost aktivnih agenasa i kombinovano uzimanje novih biokompatibilnih polimera. Za nano DDS, inkoroporiranje leka uvek predstavlja problem. Iako je ve objavljeno da je preko 50% ukupne koliine leka bilo uspeno inkorporirano, u mnogim sluajevima, procenat inkorporiranog leka u nanovlakna bi trebalo da bude znatno povean. Razlog je taj to lek esto utie na spinabilnost rastvora polimera. Za dobijanje vlakana, obino se podeava da viskoznost polimera koji je spinabilan bude oko 1-20 teine a povrinski napon izmeu 35 i 55 mN/m. Relativno vei procenat inkapsuliranja moe takoe uzrokovati neujadnaenu distribuciju u nanovlaknima to dovodi do inicijalnog efekta otputanja leka, to ne vai za koaksijalna vlakna. Efekat inicijalnog otputanja je est fenomen za nano DDS sa velikom specifinom povrinom kao to su nano- i mikrosfere, lipozomi i hidrogelovi. Kod obinog elektrospininga, otputanje lekova sa svojim karakteristikama se oslanja na to da je lek inkapsuliran unutar vlakana. Meutim, zbog povrinskih efekata estice leka u vlakna tee da se akumuliraju na povrini vlakna. Stoga, efekat inicijalnog otputanja je neminovan osim ako su blende leka i polimernog nosaa u potpunosti integrisane u nanovlakna na molekulskom nivou.Zeng i ostali su ispitivali inkapsulaciju lipofilnog leka pakliteksela i hidrofilnog doksorubicin hidrohlorida u elektrospinovane PLLA vlakna i njihovu kinetiku otputanja. Naeno je da je preferirajua inkapsulacija, inkapsulacija paklitaksela zbog njegove dobre kompatibilnosti sa PLLA i rastvorljivou u smei rastvaraa hlorofom/aceton, dok doksorubicin hidrohlorid je naen na ili blizu povrine PLLA vlakana. Rezultati su potvrdili da otputanje paklitaksela iz elektrospinovanih PLLA vlakana sledi kinetiku prvog reda zbog degradacije vlakana. Meutim, uoeno je inicijano otputanje doksorubicin hidrohlorida usled difuzije samog leka na ili blizu povrine vlakana. Stoga, rastvorljivost i kompatibilnost lekova u sistemu lek/polimer/rastvara su odluujui faktori za dobijanje elektrospinovanih vlakana sa konstantnim otputanjem leka. U cilju inkapsulicije veine lekova unutar polimernih vlakana i postizanja konstantnog i stabilnof profile otputanja leka, lipofilne polimere bi trebalo izabrati kao vlaknasti materijal za lipofilne lekove dok hidrofilni polimeri bi trebalo izabrati hidrofilne lekove a rastvari bi trebalo biti odgovarajui za obe vrste leka i polimera.Da bi se ublaili ili ak eliminisali efekti inicijalnog otputanja, esto se koriste metode post-leenja. U okviru ovog konteksta, Kenawy i ostali su opisali da je efekat inicijalnog otputanja ketoprofena eliminisan stabilizacijom elektrospinovanih PVA vlakana, metanolom. Nakon toga, Taepaiboon je tretirao elektrospinovana PVA vlakna koja su sadrala Na-salicilat, tako to je vlakna izlagao isparavanju iz 5,6M vodenog rastvora ili glutaraldehida ili glioksala tokom razliitih vremenskih intervala, a nakon toga je sledilo tretiranje toplotom u vakuum pei (tabela 2). Sa poveanjem vremena izloenosti u komori za umreavanje (cross-linking), morfologija eektrospinovanih vlakana se gradualno menjala od porozne ka zbijenoj strukturi. Umreavanje je znaajno redukovalo otputanje Na-salicilata iz vlakana i brzina i ukupna koliina inkapsuliranog leka je smanjila funkcije sa vremenskim intervalom izloenosti komori za umreavanje.Sigurno, jezgro-omota strukture vlakana sa lekom unutar jezgra mogu eleminisati inicijalni efekat otputanja. Istraivai su pokazali da takoe i surfaktanti mogu redukovati povrinski napon i prenik dobijenih nanovlakana, to poboljava uniformnost leka i na taj nain znatno ublaava efekat otputanja.

Tabela 2. SEM mikrografije (uveanje 10000x) Na-salicilata inkapsuliranog u elektrospinovana PVA vlakna nakon umreavanja

Da bi se prilagodili razvoju farmaceutika, od znaaja je dobijanje novih polimernih nanovlakana. Na primer polimer sa ekoloki osetljivim karakteristikama. Chunder i ostali su opisali dobijanje ultratankih vlakana pomou elektrospininga, koja su izgraena od dva suprotno naelektrisana polielektrolita PAA/PAH (slika 11). Ova vlakna imaju mogunost kontrolisanja otputanaj leka promenom pH. Osobine PAA/PAH vlakana su bile podeene deponovanjem razliitih slojeva na povrinu vlakana. Odrivo i tmperaturno kontrolisano otputanj leka i rastvoru PBS je bilo postignuto deponovanjem slojeva perfluorosilana i PAA/PNIPAM multislojeva na povrinu vlakna.

Slika 11. SEM mikrografija elektrospinovanih PAA/PAH vlakana

U teoriji, razumevanje i objanjenje veze izmeu profila otputanja i parametara elektrospiniga pomau da se selektuju odgovarajui materijali, da se optimizuje elektrospining i tako da se pobolja izdrljivost izmeu dizajna i proizvodnje. Poto fiziki oblik aktivnog agensa u doziranom obliku moe da utie na karakteristike proizvoda, esto je neophodno da se izraze koliinski razliite vrste faze u sistemu za dobijanje jasnih doziranih oblika. U nanovlaknima, mogunost interakcije izmeu lekova i ekscipijenata u procesima rastvaranja i elektrospininga bi trebalo temeljno ispitati za dalji razvoj novih DDS.Profili otputanja leka iz sistema za isporuku lekova bi trebalo precizno odrediti ili pogramirati tako da mogunost za damping koliine budu minimalne. Veze izmeu profila otputanja leka i parametara samog procesa bi trebalo razjasniti. Matematiki modeli se mogu korstiti za razjanjenje osnovnih mehanizama otputanja lekova i predvianje dobijnih kinetika otputanja leka kao funkcije nanovlakana (struktura, geometrija i sastav). U zakljuku, jo uvek postoje mnoge stvari koje se trebaju uraditi da bi se omoguilo da se elektrospinovana nanovlakna kao nosai lekova podvrgnu klinikim ispitivanjima.