Lipidowe ciekłokrystaliczne materiały hybrydowe w formie fazy kubicznej lub magnetokubosomów jako nośniki leku

W niniejszej pracy doktorskiej zaprojektowano i scharakteryzowano nowe liotropowe materiały hybrydowe na bazie ciekłokrystalicznego układu lipidowego z dodatkiem superparamagnetycznych nanocząstek magnetycznych o różnych powłokach (hydrofobowej z kwasu oleinowego oraz hydrofilowej z kwasu cytrynowego) Materiały hybrydowe zostały przygotowane w postaci fazy kubicznej oraz rozproszonej fazy kubicznej – magnetokubosomów. W pierwszej części badań przedstawiono charakterystykę materiałów otrzymanych w formie fazy kubicznej. Wartościowym elementem niniejszej pracy doktorskiej było wyznaczenie diagramów fazowych dla hybrydowych materiałów ciekłokrystalicznych zawierających 2% wag. nanocząstek magnetycznych w zakresie temperatur 10 – 60 ºC oraz zawartości wody 20 – 40% wag. Wykazano znaczącą różnicę, tj. przesunięcie granic występowania poszczególnych faz dla układu zawierającego hydrofilowe nanocząstki magnetyczne w porównaniu z fazą niedomieszkowaną oraz zawierającą hydrofobowe nanocząstki magnetyczne. Jest to istotna informacja wpływająca na potencjalne wykorzystanie badanych materiałów hybrydowych w zastosowaniach biomedycznych. Przeprowadzono, za pomocą metod elektrochemicznych, badania uwalniania leków z hybrydowych materiałów ciekłokrystalicznych, monitorując zmiany stężenia leku bezpośrednio w warstwie fazy kubicznej pokrywającej elektrodę. Na przykładzie leku przeciwnowotworowego - doksorubicyny pokazano zależność kinetyki uwalniania leku od ilości oraz rodzaju nanocząstek magnetycznych w mezofazie. Obecność hydrofobowych nanocząstek magnetycznych nie ma znaczącego wpływu na transport leku przez kanały wodne fazy w porównaniu z niedomieszkowaną fazą kubiczną. Z kolei dodatek nanocząstek hydrofilowych dodanych w odpowiedniej ilości (2% wag.) spowodował zahamowanie uwalniania leku z mezofazy na skutek jego oddziaływań elektrostatycznych z nanocząstkami hydrofilowymi, które mają ładunek ujemny, pochodzący od otoczki cytrynianowej. Badania kinetyki uwalniania leku potwierdziły znaczący udział oddziaływań doksorubicyny z matrycą. Mechanizm uwalniania innego leku – metotreksatu okazał się porównywalny dla niedomieszkowanej fazy kubicznej oraz zawierającej 2% wag. hydrofobowych nanocząstek magnetycznych. Wyniki te są obiecujące ze względu na to, że lipidowe mezofazy ciekłokrystaliczne mogą zostać użyte jako hybrydowy nośnik zarówno o przedłużonym uwalnianiu leku, w przypadku układu z magnetycznymi nanocząstkami hydrofilowymi jak też o szybszym dyfuzyjnym uwalnianiu, w przypadku domieszkowania nanocząstkami hydrofobowymi, zależnie od potrzeb związanych z konkretnym lekiem. W pracy doktorskiej przedstawiono także syntezę i charakterystykę nowego typu nanocząstek – magnetokubosomów. Nanocząstki faz kubicznych mają kształt zbliżonym do sferycznego z uporządkowaną strukturą wewnątrz cząstek i średnią wielkość około 150 nm. Magnetokubosomy wykazywały właściwości magnetyczne podobne do właściwości samych nanocząstek magnetycznych. Profile wymywania leków, doksorubicyny oraz metotreksatu, z magnetokubosomów zawierających hydrofobowe nanocząstki magnetyczne, rejestrowane pod wpływem zmiennego pola magnetycznego o niskiej częstotliwości ukazały zwiększenie efektywności usuwania leku z mezofazy bez dodatkowych komplikujących oddziaływań leku z matrycą. Przedstawione wyniki pozwalają wnioskować, że liotropowe nanomateriały hybrydowe są obiecujące jako potencjalne nośniki leków ze względu na możliwość kierowania układu w pożądane miejsce docelowe za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego oraz kontrolowaną kinetykę uwalniania leku.

In this doctoral thesis, a new lyotropic hybrid materials consisting of a liquid-crystalline lipid system incorporating superparamagnetic magnetic nanoparticles with various stabilizing coatings (hydrophobic oleic acid and hydrophilic citric acid) were designed and characterized. Hybrid materials were prepared in the form of a cubic phase and a dispersed cubic phase - magnetocubosomes. The first part of the thesis presents the characteristics of the materials prepared in the form of a cubic phase. A valuable element of this thesis was the determination of phase diagrams for hybrid liquid-crystalline materials containing 2 wt. % magnetic nanoparticles in the temperature range 10 – 60 ºC and water content 20 – 40 wt. %. A significant difference was demonstrated, i.e. the shift of the boundaries of the occurrence of individual phases for the system containing hydrophilic magnetic nanoparticles compared to the undoped phase and the one containing hydrophobic magnetic nanoparticles. This is important information affecting the potential use of the tested hybrid materials in biomedical applications. The drug release studies from hybrid liquid-crystalline materials were carried out using electrochemical methods which monitoring changes in drug concentration directly in the cubic phase layer covering the electrode. The dependence of the drug release kinetics on the amount and type of magnetic nanoparticles in the mesophase was shown on the example of an anti-cancer drug – doxorubicin. The presence of hydrophobic magnetic nanoparticles has no significant effect on drug elution through the aqueous channels of the hybrid cubic phase compared to the undoped cubic phase. In turn, the addition of hydrophilic nanoparticles added in an appropriate amount (2 wt.%) inhibited the drug release from the mesophase, as a result of its electrostatic interactions with hydrophilic nanoparticles, that have a negative charge derived from the citrate shell. Drug release kinetics studies confirmed the significant role of doxorubicin interactions with the matrix. The release mechanism of another drug - methotrexate was comparable for the undoped cubic phase and the cubic phase containing 2 wt. % hydrophobic magnetic nanoparticles. These results are promising, due to the fact that lipid liquid-crystalline mesophases can be used as a hybrid carrier both for sustained drug release, in the case of a system with hydrophilic magnetic nanoparticles and for faster diffusive release, in the case of doping with hydrophobic nanoparticles, depending on the needs related to specific drug. This thesis also presents the synthesis and characterization of a new type of nanoparticles - magnetocubosomes. Cubic phase nanoparticles have an almost spherical shape with an ordered structure inside the particles and an average size about 150 nm. The magnetocubosomes showed magnetic properties similar to those of the magnetic nanoparticles. The elution profiles of drugs, doxorubicin and methotrexate, from magnetocubosomes containing hydrophobic magnetic nanoparticles, recorded under the influence of a low-frequency alternating magnetic field, showed an increase drug elution from the magnetocubosomes. The presented results lead to the conclusion, that lyotropic hybrid nanomaterials are promising as potential drug carriers, due to the possibility of targeting the system to the desired place by means of an external magnetic field and the controlled kinetics of drug release.