MIT kemiingenjörer har utarbetat ett nytt sätt att skapa mycket små droppar av en vätska suspenderad i en annan vätska, känd som nanoemulsioner. Sådana emulsioner liknar blandningen som bildas när du skakar en salladsdressing med olja och vinäger, men med mycket mindre droppar. Deras lilla storlek gör att de kan förbli stabila under relativt långa tidsperioder.

Forskarna hittade också ett sätt att enkelt omvandla de flytande nanoemulsionerna till en gel när de når kroppstemperatur (37 grader Celsius), vilket kan vara användbart för att utveckla material som kan avge medicin när det gnuggas på huden eller injiceras i kroppen.

"Läkemedelsindustrin är enormt intresserad av nanoemulsioner som ett sätt att leverera läkemedel för små molekyler. Det kan vara lokalt, genom förtäring, eller genom att spraya in i näsan, för när du väl börjar komma in i storleksintervallet hundratals nanometer kan du tränga in i huden mycket mer effektivt, säger Patrick Doyle, Robert T. Haslam professor i kemiteknik och den seniora författaren till studien.

I deras nya studie, som visas i numret 21 juni av Naturkommunikation , forskarna skapade nanoemulsioner som var stabila i mer än ett år. För att demonstrera emulsionernas potentiella användbarhet för att leverera läkemedel, forskarna visade att de kunde införliva ibuprofen i dropparna.

Seyed Meysam Hashemnejad, en före detta MIT postdoc, är den första författaren till studien. Andra författare inkluderar före detta postdoc Abu Zayed Badruddoza, L'Oréals seniorforskare Brady Zarket, och tidigare MIT sommarforskare Carlos Ricardo Castaneda.

Energireduktion

Ett av de enklaste sätten att skapa en emulsion är att lägga till energi – genom att skaka din salladsdressing, till exempel, eller använda en homogenisator för att bryta ner fettkulor i mjölk. Ju mer energi som går in, ju mindre droppar, och ju stabilare de är.

Nanoemulsioner, som innehåller droppar med en diameter på 200 nanometer eller mindre, är önskvärda inte bara för att de är mer stabila, men de har också ett högre förhållande mellan ytarea och volym, vilket gör att de kan bära större nyttolaster av aktiva ingredienser som läkemedel eller solskyddsmedel.

Under de senaste åren, Doyles labb har arbetat med lågenergistrategier för att göra nanoemulsioner, vilket skulle kunna göra processen lättare att anpassa för storskalig industriell tillverkning.

Tvättmedelsliknande kemikalier som kallas ytaktiva ämnen kan påskynda bildningen av emulsioner, men många av de ytaktiva ämnen som tidigare har använts för att skapa nanoemulsioner är inte FDA-godkända för användning på människor. Doyle och hans elever valde två ytaktiva ämnen som är oladdade, vilket gör dem mindre benägna att irritera huden, och är redan FDA-godkända som livsmedel eller kosmetiska tillsatser. De tillsatte också en liten mängd polyetylenglykol (PEG), en biokompatibel polymer som används för läkemedelstillförsel som hjälper lösningen att bilda ännu mindre droppar, ner till cirka 50 nanometer i diameter.

"Med detta tillvägagångssätt, du behöver inte lägga ner mycket energi alls, " säger Doyle. "Faktiskt, en långsam omrörningsstav skapar nästan spontant dessa supersmå emulsioner."

Aktiva ingredienser kan blandas in i oljefasen innan emulsionen bildas, så att de hamnar laddade i emulsionens droppar.

När de väl hade utvecklat ett lågenergisätt att skapa nanoemulsioner, använder giftfria ingredienser, forskarna lade till ett steg som skulle göra det möjligt för emulsionerna att lätt omvandlas till geler när de når kroppstemperatur. De uppnådde detta genom att införliva värmekänsliga polymerer som kallas poloxamerer, eller Pluronics, som redan är FDA-godkända och används i vissa läkemedel och kosmetika.

Pluronics innehåller tre "block" av polymerer:De två yttre områdena är hydrofila, medan mittområdet är något hydrofobt. Vid rumstemperatur, dessa molekyler löser sig i vatten men interagerar inte mycket med de droppar som bildar emulsionen. Dock, vid uppvärmning, de hydrofoba områdena fäster vid dropparna, tvingar dem att packas ihop tätare och skapar en geléliknande fast substans. Denna process sker inom några sekunder efter att emulsionen har värmts upp till den nödvändiga temperaturen.

Avstämbara egenskaper

Forskarna fann att de kunde ställa in gelernas egenskaper, inklusive temperaturen vid vilken materialet blir en gel, genom att ändra storleken på emulsionsdropparna och koncentrationen och strukturen av Pluronics som de tillsatte emulsionen. De kan också förändra egenskaper som elasticitet och flytspänning, vilket är ett mått på hur mycket kraft som behövs för att sprida gelen.

Doyle undersöker nu sätt att införliva en mängd olika aktiva farmaceutiska ingredienser i denna typ av gel. Sådana produkter kan vara användbara för att leverera aktuella läkemedel för att hjälpa till att läka brännskador eller andra typer av skador, eller skulle kunna injiceras för att bilda en "drogdepå" som skulle stelna inuti kroppen och frigöra droger under en längre tidsperiod. Dessa droppar kan också göras tillräckligt små för att de skulle kunna användas i nässprayer för att leverera inhalerbara läkemedel, säger Doyle.

För kosmetiska applikationer, detta tillvägagångssätt kan användas för att skapa fuktkrämer eller andra produkter som är mer lagringsstabila och känns mjukare på huden.