En ny beläggningsteknik utvecklad vid MIT, kombinerat med en ny nanopartikeltillverkningsteknik utvecklad vid University of North Carolina i Chapel Hill, kan erbjuda forskare ett sätt att snabbt massproducera skräddarsydda nanopartiklar som är speciellt belagda för specifika tillämpningar, inklusive mediciner och elektronik.

Genom att använda denna nya kombination av de två befintliga teknologierna, forskare kan producera mycket små, enhetliga partiklar med anpassade lager av material som kan bära läkemedel eller andra molekyler för att interagera med sin miljö, eller till och med rikta in sig på specifika typer av celler.

Skapa mycket reproducerbara partier av exakt konstruerade, belagda nanopartiklar är viktiga för säker tillverkning av läkemedel och för att få myndighetsgodkännande, säger Paula Hammond, David H. Koch professor i kemiteknik vid MIT och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Alla är entusiastiska över nanomedicinens potential, och det finns några system som gör det ut på marknaden, men folk är också bekymrade över hur reproducerbar varje batch är. Det är särskilt viktigt för tillämpningar som cancerterapier, " säger Hammond. "Lyckligtvis, vi har kombinerat två teknologier som ligger i framkant när det gäller att ta itu med dessa frågor och som visar mycket lovande för framtiden för nanotillverkning."

Hammond och Joseph DeSimone, kanslerns framstående professor i kemi vid UNC och William R. Kenan Jr. Distinguished Professor of Chemical Engineering vid North Carolina State University, är seniorförfattarna till en artikel som beskriver tekniken i onlineupplagan den 1 juli av Avancerade material . Huvudförfattare till tidningen är Stephen Morton, en doktorand i Hammonds labb.

"En mycket mångsidig plattform"

Hammonds labb utvecklade tidigare en lager-för-lager-deponeringsteknik för att belägga nanopartikelytor med alternerande lager av läkemedel, RNA, proteiner eller andra molekyler av intresse. Dessa beläggningar kan också utformas för att skydda nanopartiklar från att förstöras av kroppens immunsystem innan de når sina avsedda mål.

"Det är en mycket mångsidig plattform för att införliva terapier, " säger Hammond.

Dock, de lager-för-lager-appliceringsprocesser som vanligtvis används idag för att belägga nanopartiklar tar för lång tid för att vara användbara för snabba, storskalig tillverkning:För varje lager, partiklarna måste blötläggas i en lösning av beläggningsmaterialet, centrifugeras sedan i en centrifug för att avlägsna överflödig beläggning. Att applicera varje lager tar ungefär en timme.

I den nya studien, MIT-forskarna använde en spraybaserad teknik, vilket gör att de kan applicera varje lager på bara några sekunder. Denna teknik har tidigare utvecklats i Hammond-labbet och kommersialiseras nu av Svaya Nanotechnologies.

Hammond kombinerade detta tillvägagångssätt med en nanopartikeltillverkningsteknik känd som PRINT-plattformen (Particle Replication In Non-wetting Templates), som utvecklades i DeSimone-labbet vid UNC och kommersialiseras nu av Liquidia Technologies. Liquidia fokuserar på att använda PRINT-plattformen för att skapa nya nanoteknikbaserade hälsovårdsprodukter, vacciner och läkemedel.

PRINT-plattformen är en kontinuerlig rull-till-rulle-partikelformningsteknik som möjliggör design och massproduktion av exakt konstruerade partiklar av kontrollerad storlek, form och kemisk sammansättning. För att göra partiklar som de som används i denna studie, en blandning av polymerer och läkemedelsmolekyler (eller annan nyttolast) appliceras på en stor filmrulle som består av en form i nanostorlek som innehåller egenskaper av önskad form och storlek. Blandningen fyller varje funktion i formen och stelnar för att skapa miljarder nanopartiklar. Partiklar avlägsnas från formen med en annan rulle med självhäftande film, som sedan kan sprayas med lager av specialiserade beläggningar med Hammonds nya teknologi och separeras i enskilda partiklar.

"Tanken var att sätta samman dessa två processer i industriell skala och skapa en sofistikerad, vackert belagd nanopartikel, på samma sätt som bagerier glaserar din favoritmunk på löpande band, " säger Hammond.

"Kombinationen av PRINT och spray lager-för-lager ger en mångsidig plattform för att snabbt modifiera ytkemin hos partiklar, säger Frank Caruso, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Melbourne som inte ingick i forskargruppen. "Det här tillvägagångssättet lovar också hög genomströmning i utvecklingen av partikelleveranssystem för nanomedicinska tillämpningar."

Flera funktioner

Denna nya process lovar att ge stora mängder belagda nanopartiklar samtidigt som produktionstiden minskar dramatiskt. Det möjliggör också anpassad design av en mängd olika material, både i nanopartikelkärnan och i beläggningen, för applikationer inklusive elektronik, drogleverans, vacciner, sårläkning eller bildbehandling, säger Morton.

"Både PRINT- och lager-för-lager-tekniken möjliggör inkorporering av många olika material som har unika egenskaper för att göra system med flera inbyggda funktioner, " han säger.

För att visa den potentiella användbarheten av denna teknik, forskarna skapade partiklar belagda med hyaluronsyra, som har visat sig rikta sig mot proteiner, kallas CD44-receptorer, som finns i höga halter på aggressiva cancerceller. De fann att bröstcancerceller odlade i labbet uppslukar partiklar belagda med lager av hyaluronsyra mycket mer effektivt än partiklar utan beläggningar eller med beläggningar som inte innehåller hyaluronsyra.

I uppföljande studier, forskarna planerar att designa partiklar som innehåller cancerläkemedel och cancerbekämpande beläggningar för att se om de effektivt kan krympa tumörer. Vissa av dessa partiklar kan inkludera kombinationer, såsom två olika kemoterapiläkemedel, eller ett läkemedel kombinerat med RNA-molekyler som riktar sig mot cancergener. Dessa kombinationer kan samverka på ett synergistiskt sätt för att selektivt avväpna och döda cancerceller.

Uppsatsen har titeln "Skalbar tillverkning av beställningsbyggd nanomedicin:Sprayassisterad Layer-by-Layer-funktionalisering av PRINT-nanopartiklar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.