Nanokapsułki będące pęcherzykowatymi układami transportującymi mogą zamykać w swym wnętrzu wiele typów związków, np. witaminy, hormony, leki przeciwnowotworowe czy też cząstki magnetyczne. Uzyskanie efektywnej metody otrzymywania nanonośników stanowi wielkie wyzwanie dla współczesnych badaczy.

Doświadczenia skupiające się wokół strategii kontrolowanego uwalniania zawartości nośnika mają na celu przede wszystkim zwiększenie wydajności enkapsulacji, skuteczną ochronę zawartego we wnętrzu nośnika związku, ale również i wydłużenie czasu, w którym składnik ten jest uwalniany.

Grupa naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego koordynowana przez dr hab. Szczepana Zapotocznego przedstawiła ostatnio nową interesującą strategię otrzymywania nanokapsułek, która może być przedmiotem dalszych badań o zastosowaniu biomedycznym. Swoje wyniki naukowcy przedstawili w pracy pt. „Nanocapsules Templated on Liquid Cores Stabilized by Graft Amphiphilic Polyelectrolytes” w czasopiśmie "Nanoscale".

Do konstrukcji nanokapsułek zawierających ciekły olejowy rdzeń badacze wykorzystali tzw. szczepione amfifilowe polielektrolity, zbudowane z poli (2-akryloamido-2-metylo-1-propanosulfonianu sodu) stanowiącego łańcuch główny oraz poliwinylonaftalenu tworzącego łańcuchy boczne - PAMPS-graft-PVN. Syntezę tego kopolimeru opracowali w swych poprzednich badaniach. Co istotne, otrzymanie nanokapsułek stabilizowanych przez PAMPS-graft-PVN nie wymagało stosowania małocząsteczkowych surfaktantów, co jest istotnym postępem w badaniach nad nanoformulacjami emulsyjnymi.                                                                         

Kopolimer szczepiony jest makrocząsteczką o budowie rozgałęzionej, której rdzeń stanowi łańcuch polimerowy zbudowany z merów jednego rodzaju, podczas gdy boczne łańcuchy zbudowane są z jednostek (merów) drugiego rodzaju. Określenie amfifilowość oznacza dwubiegunowy charakter cząsteczki, tj. występowanie w jej strukturze grup hydrofobowych, jak i hydrofilowych. Charakterystyczną właściwością polimerów amfifilowych jest ponadto ich zdolność do solubilizacji związków organicznych, które cechuje słaba rozpuszczalność w wodzie. 

Współautorka badań Joanna Szafraniec z Zespołu Nanotechnologii Polimerów i Biomateriałów Wydziału Chemii UJ zwraca uwagę na amfifilowy charakter makrocząsteczek. Sprawia on, że w polarnych rozpuszczalnikach łańcuchy polimerowe spontanicznie agregują, co prowadzi do wytworzenia domen zbudowanych z upakowanych łańcuchów hydrofobowych. Dzięki łańcuchom naftalenowym obecnym w cząsteczce PAMPS-graft-PVN strukturę takich agregatów można badać z wykorzystaniem technik fluorescencyjnych, jako że kształt widma jest silnie zależny od oddziaływań pomiędzy cząsteczkami chromoforów.

– Połączenie wyników spektroskopowych z danymi uzyskanymi techniką dynamicznego rozpraszania światła pozwoliło na określenie struktury oraz charakteru agregatów. Analiza tych danych uzupełniona danymi dotyczącymi składu samego kopolimeru (m.in. widmami w zakresie podczerwieni i analizą elementarną) pozwoliła na określenie wpływu budowy makrocząsteczki na zdolność stabilizacji kapsuł – mówi Joanna Szafraniec.  – Należy bowiem nadmienić, że upakowane agregaty ulegają rozluźnieniu na granicy faz woda-olej umożliwiając stabilizację kropli oleju przez „zakotwiczenie” w nich hydrofobowych łańcuchów bocznych. Budowa agregatów przekłada się zatem bezpośrednio na proces tworzenia nanokapsuł na ciekłych rdzeniach.

Płynny rdzeń nanokapsułek stabilizowany kopolimerem PAMPS-graft-PVN otrzymywano w wyniku bezpośredniej emulsyfikacji poprzez zmieszanie toluenu i PAMPS-graft-PVN w stosunku 1:10, a następnie sonikację uzyskanej mieszaniny. Taka strategia umożliwia enkapsulację cząsteczek aktywnych biologicznie o charakterze hydrofobowym.

Aby otrzymać wielowarstwowe nanokapsułki naukowcy posłużyli się metodą „warstwa po warstwie” (LbL, ang. layer by layer), adsorbując kolejno warstwy polielektrolitów: poli(chlorku diallilodimetyloamoniowego) (PADMAC) i wspomniany wcześniej PAMPS. Badacze zwracają uwagę, że na efektywność preparacji nanokapsułek miał wpływ nie tylko skład użytego kopolimeru, ale również rodzaj rozpuszczalnika, który stanowił rdzeń, kolejność mieszania i stosunek użytych odczynników.

Efektywność enkapsulacji sprawdzano wykorzystując policykliczny węglowodór aromatyczny - perylen, który wykazuje niebieską fluorescencję pod wpływem światła ultrafioletowego.

– Perylen, silnie hydrofobowy barwnik wykazujący fluorescencję jedynie w niepolarnym rozpuszczalniku został rozpuszczony w toluenie, który stanowił rdzeń kapsuł. Jest to bardzo istotne z aplikacyjnego punktu widzenia, bowiem zminimalizowana jest liczba etapów procesu wytwarzania kapsuł – wyjaśnia mgr Szafraniec. – Widma emisyjne kapsuł potwierdzają, że perylen został z powodzeniem zamknięty w olejowych rdzeniach, a jego właściwości spektroskopowe nie uległy zmianie. Obrazowanie techniką fluorescencyjnej mikroskopii konfokalnej potwierdziło enkapsulację perylenu. Pozwoliło ponadto na potwierdzenie sferycznej morfologii kapsuł oraz, co bardzo istotne, niewielkiego stopnia agregacji.

Wyniki uzyskanych badań są bardzo obiecujące. Potwierdzają wysoki potencjał aplikacyjny uzyskanych kapsuł jako stabilnych zbiorników związków o charakterze hydrofobowym mogących znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach.