Development of a localized drug delivery system with chitosan and ferromagnetic nanoparticles produced by wetspinning for cancer treatment

Abstract

O cancro é uma das principais causas de mortalidade no mundo, depois das doenças cardiovasculares. Assim, há uma necessidade urgente de desenvolver novas estratégias para melhorar a eficácia da prevenção, diagnóstico e tratamento desta patologia. Uma das terapias estudadas para tal na atualidade é a hipertermia. Este procedimento baseia- -se no aumento da temperatura para 40-43 °C do tecido corporal para danificar e destruir as células cancerígenas ou torná-las mais suscetíveis aos efeitos de outras terapias como a radio ou a quimioterapia. Recentemente, e devido aos avanços científicos na área da nanotecnologia, surge o conceito de hipertermia magnética que se baseia na utilização de nanopartículas magnéticas. Apesar das diversas vantagens de utilizar nanopartículas, estas podem apresentar alguma dificuldade em alcançar os tecidos específicos a tratar e, devido ao comum processo de formação de agregados, a sua aplicabilidade pode tornar-se difícil. No sentido de ultrapassar estas limitações, as nanopartículas podem ser incorporadas em sistemas de entrega localizada, nomeadamente compostos por fibras, capazes de atuar como agentes terapêuticos localizados. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver novos filamentos por wetspinning capazes de serem utilizados na construção e design de estruturas fibrosas de entrega localizada de agentes bioativos. Vários parâmetros da técnica de wetspinning foram otimizados para obter os melhores filamentos, sendo que os melhores foram obtidos utilizando uma taxa de fluxo de 1 mL/min, uma agulha de 0.41 mm de diâmetro e um banho de coagulação de 1M de hidróxido de sódio. As fibras obtidas com melhores resultados mecânicos foram produzidas com uma formulação otimizada de 3 %(m/v) de óxido de polietileno com 3 %(m/v) de quitosano em 12 %(v/v) de ácido acético. O banho de crosslinking também foi otimizado, sendo que se utilizou um banho de trifosfato de sódio a 1 %(v/v) durante 4 horas. As nanopartículas ferromagnéticas foram então sintetizadas usando o método de co-precipitação e foram introduzidas nas fibras em diferentes percentagens. Os filamentos funcionalizados com 2 %(m/v) de nanopartículas mostraram o melhor desempenho mecânico, melhorando também a estabilidade estrutural do sistema ao longo do tempo.

Cancer is one of the leading causes of mortality in the world, after cardiovascular diseases. Thus, there is an urgent need to develop new strategies to improve the effectiveness of prevention, diagnosis and treatment of this disease. One of the therapies currently being studied for this is hyperthermia. This procedure is based on increasing the temperature to 40-43 °C of the body tissue to damage and destroy cancer cells or make them more susceptible to the effects of other therapies such as radio or chemotherapy. Recently, and due to scientific advances in nanotechnology, the concept of magnetic hyperthermia has emerged, which is based on the use of magnetic nanoparticles. Despite the several advantages of using nanoparticles, these may present some difficulty in reaching the specific tissues to be treated and, due to the common process of aggregate formation, their applicability may become difficult. In order to overcome these limitations, nanoparticles can be incorporated into localized delivery systems, namely composed of fibres, capable of acting as localized therapeutic agents. Therefore, this work aimed to develop new filaments by wetspinning that can be used in the construction and design of fibrous structures for localized delivery of bioactive agents. Several parameters of the wetspinning technique were optimized to obtain the best filaments, and the best ones were obtained using a flow rate of 1 mL/min, a 0.41 mm diameter needle, and a 1M sodium hydroxide coagulation bath. The fibres obtained with the best mechanical results were produced with an optimized formulation of 3 %(w/v) polyethylene oxide with 3 %(w/v) chitosan in a 12 %(v/v) acetic acid aqueous solution. The crosslinking bath was also optimized, and a 1 %(v/v) sodium triphosphate bath was used for 4 hours. Ferromagnetic nanoparticles were then synthesized using the co-precipitation method and were introduced into the fibres in different percentages. The filaments functionalized with 2 %(w/v) nanoparticles showed the best mechanical performance, also improving the structural stability of the system over time.