I arbete som kan ha stor inverkan på flera industrier – från läkemedel till kosmetika och till och med livsmedel – har MIT-ingenjörer utvecklat en ny plattform för kontrollerad leverans av vissa viktiga läkemedel, näringsämnen, och andra ämnen till mänskliga celler.

Forskarna tror att deras enkla tillvägagångssätt, som skapar små kapslar som innehåller tusentals nanostora droppar laddade med ett läkemedel eller annan aktiv ingrediens, kommer att vara lätt att övergå från lab till industri.

De aktiva ingredienserna i många konsumentprodukter avsedda för användning i eller på människokroppen löser sig inte lätt i vatten. Som ett resultat, de är svåra för kroppen att ta upp, och det är svårt att kontrollera deras leverans till celler.

Bara inom läkemedelsindustrin, "40 procent av för närvarande marknadsförda läkemedel och 90 procent av läkemedel under utveckling är hydrofoba där [deras] låga vattenlöslighet kraftigt begränsar deras biotillgänglighet och absorptionseffektivitet, " skriver MIT-teamet i en artikel om arbetet i numret av tidskriften den 28 augusti Avancerad vetenskap .

Nanoemulsioner till räddningen

Dessa droger och andra hydrofoba aktiva ingredienser gör, dock, lös upp i olja. Därav det växande intresset för nanoemulsioner, motsvarigheten i nanoskala till en salladsdressing med olja och vinäger som består av små droppar av olja dispergerade i vatten. Upplöst i varje oljedroppe är den aktiva ingrediensen av intresse.

Bland andra fördelar, de ingrediensladdade dropparna kan lätt passera genom cellväggar. Varje droppe är så liten att mellan 1, 000 till 5, 000 kan passa över bredden på ett människohår. (Deras motsvarigheter i makroskala är för stora för att komma igenom.) När dropparna väl är inne i cellen, deras nyttolast kan utöva en effekt. Dropparna är också exceptionellt stabila, vilket ger lång hållbarhet, och kan bära en stor mängd aktiv ingrediens för sin storlek.

Men det finns ett problem:Hur kapslar man in en nanoemulsion i en doseringsform som ett piller? Teknikerna för att göra det är fortfarande begynnande.

I ett av de mest lovande tillvägagångssätten, nanoemulsionen är inkapslad i ett 3D-nätverk av en polymergel för att bilda små pärlor. För närvarande, dock, när de intas släpper dessa pärlor sin nyttolast – de ingrediensladdade oljedropparna – på en gång. Det finns ingen kontroll över processen.

MIT-teamet löste detta genom att lägga till ett skal, eller kapsel, runt stora enskilda droppar av nanoemulsion, var och en innehåller tusentals nanooljedroppar. Det skalet skyddar inte bara nanodropparna inuti från skadliga fysiologiska tillstånd i kroppen, men kan också användas för att maskera den ofta obehagliga smaken av de aktiva ingredienserna de innehåller.

Resultatet är ett "piller" cirka 5 millimeter i diameter med ett biologiskt nedbrytbart skal som i sin tur kan "justeras" för att släppa ut innehållet vid specifika tidpunkter. Detta görs genom att ändra tjockleken på skalet. Hittills har de framgångsrikt testat systemet med både ibuprofen och vitamin E.

"Vår nya leveransplattform kan appliceras på ett brett utbud av nanoemulsioner, som i sig innehåller aktiva ingredienser allt från läkemedel till nutraceuticals och solskyddsmedel. Att ha den här nya kontrollen över hur du levererar dem öppnar många nya vägar när det gäller framtida applikationer, säger Patrick Doyle, Robert T. Haslam professor i kemiteknik och senior författare till tidningen.

Hans kollegor i arbetet är Liang-Hsun Chen, en doktorand i kemiteknik och första författare till uppsatsen, och Li-Chiun Cheng SM '18, Ph.D. '20, som fick sin Ph.D. i kemiteknik tidigare i år och är nu på LiquiGlide.

Många fördelar

MIT-plattformen har ett antal fördelar utöver sin enkelhet och skalbarhet för industrin. Till exempel, själva skalet "härstammar från cellväggarna hos brunalger, så det är väldigt naturligt och biokompatibelt med mänskliga kroppar, säger Chen.

Ytterligare, processen för att tillverka nanoemulsionen som innehåller dess nyttolast är ekonomisk eftersom den enkla omrörningen kräver lite energi. Processen är också "riktigt skonsam, som skyddar den [aktiva] molekylen av intresse, som en drog, " säger Doyle. "Hårdare tekniker kan skada dem."

Teamet visade också förmågan att förvandla den flytande nanoemulsionen inuti varje skal till en fast kärna, som skulle kunna tillåta en mängd andra tillämpningar. De gjorde det genom att lägga till ett material som när det aktiveras av ultraviolett ljus tvärbinder nanooljedropparna med varandra.

För Chen, den mest spännande delen av arbetet var att förbereda kapslarna och sedan "se dem sprängas för att släppa deras innehåll vid de måltider jag konstruerade dem för."

Doyle noterar att ur en pedagogisk synvinkel, arbetet "kombinerade alla kärnelementen i kemiteknik, från vätskedynamik till reaktionsteknik och massöverföring. Och för mig är det ganska coolt att ha dem alla i ett projekt."

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.