Начиная с бронзового века, когда впервые был получен сплав меди и олова, люди используют сочетания различных материалов, чтобы усилить лучшие свойства каждого из них. Последним примером такого удачного сочетания является разработка учеными Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology – NIST), Университета Мэриленда (University of Maryland) и Управления контроля качества продуктов и лекарств США (U.S. Food and Drug Administration – FDA) метода сочетания свойств двух материалов, каждый из которых вызывает огромный интерес специалистов в области биомедицины: фосфолипидных пузырьков, называемых липосомами, и частиц гидрогеля – заполненных молекулами воды сетей полимерных цепочек. Их сочетание приводит к образованию гибридной наноразмерной частицы, которая, вполне вероятно, сможет достигать определенных, например опухолевых, клеток, легко проходить через их мембраны, а затем медленно выделять лекарственные вещества.

В недавней статье в журнале Langmuir ученые рассмотрели преимущества и недостатки липосом и наночастиц гидрогеля как средств адресной доставки лекарственных препаратов. Хотя липосомы обладают полезными поверхностными свойствами, что позволяет им ориентироваться на определенные клетки и проходить через их мембраны, они могут разрываться при изменении условий окружающей их микросреды. Наночастицы гидрогеля более стабильны и обладают свойствами контролируемого выделения лекарственных препаратов, что дает возможность осуществлять тонкую настройку дозировки лекарств с учетом времени, но подвержены разложению и собираются в конгломераты. Целью ученых являлось создание наночастиц, сочетающих оба компонента, что позволило бы использовать сильные стороны каждого из материалов, одновременно минимизировав слабые.

Для получения своих липосом-гидрогелевых гибридных пузырьков исследователи адаптировали разработанную специалистами NIST и Университета Мэриленда технологию, известную как COMMAND (COntrolled Microfluidic Mixing And Nanoparticle Determination), в которой используется микроскопическое жидкостное (микрофлюидное) устройство. В новой работе ученых молекулы фосфолипидов растворены в изопропиловом спирте и подаются через тончайший входной канал (21 микрометр в диаметре) в канал-«смеситель», а затем «фокусируются» в струю жидкости водным раствором, подаваемым через два боковых канала. Молекулы предшественника гидрогеля смешены с фокусирующей жидкостью.

В то время как компоненты смешиваются на границе раздела потоков жидкости, происходит самосборка молекул фосфолипидов в нанопузырьки контролируемого размера, захватывающие внутрь находящиеся в растворе мономеры. Вновь образованные пузырьки затем облучаются ультрафиолетовым светом, чтобы полимеризовать находящиеся в них молекулы-предшественники гидрогеля в твердый гель из поперечно-связанных цепочек. Эти цепочки придают прочность пузырькам, позволяя им сохранять сферическую форму конвертов-липосом (что, в свою очередь, способствует проходу всей частицы через клеточную мембрану).

Чтобы превратить гибридный гидрогель-липосомный пузырек в средство адресной доставки лекарственных веществ в опухолевую клетку, нужно добавить лекарство или другой груз к фокусирующей жидкости в процессе производства.

Схематическое изображение образования гидрогель-липосомного гибрида. Раствор, содержащий фосфолипиды (предшественники липосом), смешиваются с раствором, содержащим молекулы предшественника гидрогеля (а). Смешиваясь на границе раздела двух жидкостей, фосфолипиды образуют липосомы (b), захватывающие внутрь себя молекулы предшественника гидрогеля. Вещество снаружи пузырьков удаляется (с), а липосомы подвергаются воздействию ультрафиолетовым светом. Это полимеризирует белковые цепочки гидрогеля и приводит к образованию гидрогель-липосомного гибрида (d). Credit: NIST

Аннотация к статье: J.S. Hong, S.M. Stavis, S.H. DePaoli Lacerda, L.E. Locascio, S.R. Raghavan and M. Gaitan. Microfluidic directed self-assembly of liposome-hydrogel hybrid nanoparticles