Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2016, № 11 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

Влияние наностержней золота на активацию липосомальных капсул ультракороткими электрическими импульсами

I.V. Guliaev1, V.A. Cherepenin1, I.V. Taranov1, V.A. Vdovin1, V.V. Faikin1, V.I. Tiukavin1, A.V. Sybachin2, A.A. Iaroslavov2, V.P. Kim2, K.V. Potapenkov2, G.B. Khomutov2

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 МГУ им. М.В. Ломоносова, Russia
Full text (PDF) EDN XYERPL

Abstract

This work is devoted to solving the problem of selectivity of electromagnetic activation of drug carriers. Ultrashort electrical pulses of high voltage were used as a remote stimulating effect. A special class of stimulus-sensitive drug carriers was used representing nanocomposite liposomal membraneous capsules containing significantly anisotropic particles - gold nanorods - bound to the membrane surface. Nanocomposite liposomal capsules were based on the unilamellar liposomes synthesized by standard ultrasonic method using amphiphilic compounds phosphatidylcholine (80%) and stearoylspermine (20%). Gold nanorods with typical diameter 10 nm and 100 nm length were used. as an essentially anisotropic conductive nanoparticles. The duration of an electrical pulse used was about 10 ns. In this case, the electric field strength near the liposome capsules was about. The effect of decapsulation of nanocomposite liposomal capsules containing significantly anisotropic gold nanorods bound to the liposomal membrane caused by ultrashort electrical pulses was observed. The effect was registered using conductometric method due to the changes of the conductivity of an aqueous suspension of liposomal capsules which increased due to the NaCl salt release from the internal volume of the capsule. This effect of decapsulation was confirmed independently by transmission electron microscopy technique. The mechanism of destruction of the nanocomposite liposomal membrane was proposed based on the gold nanorods rotational displacement caused by the effect of the external electric pulse. On the basis of this mechanism the theoretical expression for the critical value of the pulse electric field which determines the threshold of the decapsulation effect was found. The numerical value of the found critical field value was in agreement with obtained experimental data. It was experimentally shown that the observed decapsulation effect was due to the presence of gold nanorods bound with liposomal capsules, and decapsulation was not observed in the absence of nanorods.

  • capsules
  • liposomes
  • structure
  • nanoparticles
  • gold nanorods
  • polyelectrolytes
  • pulse of electric field
Аннотация (на русском)

Влияние наностержней золота на активацию липосомальных капсул ультракороткими электрическими импульсами

Данная работа посвящена решению проблемы избирательности электромагнитного воздействия на лекарственные контейнеры. В качестве дистанционного воздействия были выбраны ультракороткие электрические импульсы высокой напряженности. В качестве специального класса контейнеров, чувствительных к данному типу воздействия, использовали липосомальные капсулы, мембраны которых были связаны с существенно анизотропными частицами ˗ наностержнями золота. Основой для создания нанокомпозитных липосомальных капсул послужили однослойные липосомы, синтезированные стандартным ультразвуковым методом из амфифильных соединений фосфатидилхолина - 80% и стеарилспермина - 20%. В качестве существенно анизотропных проводящих наночастиц были использованы наностержни золота с характерными диаметром 10 нм и длиной 100 нм. Длительность использованного электрического импульса составляла около 10 нс. При этом напряженность электрического поля вблизи липосомальных капсул составляла около. Обнаружен эффект декапсуляции нанокомпозитнных липосомальных капсул, оболочки которых связанны с существенно анизотропными наностержнями золота, обусловленный воздействием на них ультракоротких электрических импульсов. Найденный эффект зарегистрирован методами кондуктометрии по изменению удельной проводимости водной суспензии липосомальных капсул, которая увеличивалась вследствие высвобождения соли NaCl из внутреннего объема капсул. Независимо указанный эффект декапсуляции был подтвержден методами просвечивающей электронной микроскопии. Предложен механизм разрушения липосомальной оболочки капсул золотыми наностержнями в результате их ротационного смещения, обусловленного импульсным электрическим воздействием. На основе данного механизма найдено выражение для критического значения напряженности электрического поля, определяющего порог возникновения данного эффекта. Численное значение найденной величины критического поля согласуются с полученными экспериментальными данными. Экспериментально показано, что обнаруженный эффект декапсуляции обусловлен наличием золотых наностержней, в оболочке липосомальных капсул, и не наблюдается при их отсутствии.

For citation

Guliaev I.V., Cherepenin V.A., Taranov I.V., Vdovin V.A., Faikin V.V., Tiukavin V.I., Sybachin A.V., Iaroslavov A.A., Kim V.P., Potapenkov K.V., Khomutov G.B. Влияние наностержней золота на активацию липосомальных капсул ультракороткими электрическими импульсами // Journal of Radio Electronics. – 2016. – No. 11.

References

  1. Freeman A.I., Mayhew E. Targeted drug delivery. Cancer, 1986, vol. 58, pp. 573-583.
  2. Svenson S., Robert K. Multifunctional Nanoparticles for Drug Delivery Applications: Imaging, Targeting, and Delivery Series. Nanostructure Science and Technology, Springer, 2012, 373p.
  3. Parveen S., Misra R., Sahoo S.K. Nanoparticles: a boon to drug delivery, therapeutics, diagnostics and imaging. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2012, vol. 8, no. 2, pp. 147-166.
  4. Kataokaa K., Haradaa A., Nagasaki Y. Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance. Advanced Drug Delivery Reviews, 2001, vol. 47, no. 1, pp. 113-131.
  5. Donath E., Sukhorukov G.B., Caruso F., Devis S.A., Möhwald H. Novel Hollow Polymer Shells by Colloid-Templated Assembly of Polyelectrolytes. Angew Chem. Int. Ed. Engl., 1998, vol. 37, 2202 p.
  6. Sukhorukov G.B., Donath E., Davis S.A., Lichtenfeld A., Caruso F., Popov V.I., Möhwald H. Stepwise polyelectrolyte assembly on particle surfaces: A Novel Approach to Colloid Design. Polym. Adv. Technol., 1998, vol. 9, 759 p.
  7. Radtchenko I.L., Sukhorukov G.B., Leporatti S., Khomutov G.B., Donath E., Mohwald H. Assembly of alternated multivalent ion/polyelectrolyte layers on colloidal particles. Stability of the multilayers and encapsulation of macromolecules into polyelectrolyte capsules. J. Colloid. Interface Sci., 2000, vol. 230, no. 2, pp. 272-280.
  8. Sukhorukov G.B., Antipov A., Voigt A., Donath E., Möhwald H. pH-Controlled Macromolecule Encapsulation in and Release from Polyelectrolyte Multilayer Nanocapsules. Macromol. Rapid Commun, 2001, vol. 22, pp. 44-46.
  9. Skirtach A.G., Antipov A.A., Shchukin D.G., Sukhorukov G.B. Remote activation of capsules containing Ag nanoparticles and IR dye by laser light. Langmuir, 2004, vol. 20, pp. 6988-6992.
  10. Radt B., Smith T.A., Caruso F. Optically Addressable Nanostructured Capsules. Adv. Mater, 2004, vol. 16, pp. 2184-2189.
  11. Lu Z., Prouty M.D., Guo Z., Golub V.O., Kumar C.S.S.R., Lvov Y.M. Magnetic switch of permeability for polyelectrolyte microcapsules embedded with Co, Au nanoparticles. Langmuir, 2005, vol. 21, pp. 2042-2050.
  12. Gorin D.A., Shchukin D.G., Mikhailov A.I., Kohler K., Sergeev S.A., Portnov S.A., Taranov I.V., Kislov V.V., Sukhorukov G.B. Effect of Microwave Radiation on Polymer Microcapsules Containing Inorganic Nanoparticles. Technical Physics Letters, 2006, vol. 32, no. 1, pp. 70-72.
  13. Gorin D.A., Shchukin D.G., Koksharov Yu.A., Portnov S.A., Köhler K., Taranov I.V., Kislov V.V., Khomutov G.B., Möhwald H., Sukhorukov G.B. Effect of microwave irradiation on composite iron oxide nanoparticle/polymer microcapsules. Progress in Biomedical Optics and Imaging. 2007. V. 6536. P. 653604.
  14. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Вдовин В.А., Таранов И.В., Сухоруков Г.Б., Горин Д.А., Хомутов Г.Б.//Радиотехника электроника. 2015. Т.60. №11. С. 1207-1212.
  15. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Вдовин В.А., Таранов И.В., Сухоруков Г.Б., Горин Д.А., Хомутов Г.Б.//Журнал Радиоэлектроники. N12. 2014. http://jre.cplire.ru/mac/dec14/25/text.pdf.
  16. Schwendener R.A. Liposomes in biology and medicine. Adv. Exp. Med. Biol., 2007, vol. 620, pp. 117-28.
  17. Lasic D.D. Liposomes: from physics to applications. Elsevier, Amsterdam, New York, 1993, 575 p.
  18. Amstad E., Kohlbrecher J., Muller E., Schweizer T., Textor M., and Reimhult E.//Nano Letters, 2011. V.11, P.1664.
  19. Горин Д.А., Щукин Д.Г., Михайлов А.И. и др.//Письма в ЖТФ. 2006.Т. 32. №2. С. 45.
  20. Gubin S.P., Gulyaev Yu.V., Khomutov G.B. et al.//Nanotechnology. 2002, V.13. №2. P.185.
  21. Кислов В.В., Колесов В.В., Таранов И.В.//РЭ. 2002.Т.47.№ 11. С.1385.
  22. Kislov V., Medvedev B., Gulyaev Yu.et al.//Int. J. Nanoscience. 2007. V. 6. № 5. P. 373.
  23. Gupta A.K., Gupta M.//Biomaterials. 2005. V.26. №18. P.3995.
  24. Koning G.A., Eggermont A.M.M., Lindner L.H., ten Hagen T.L.M.//Pharmaceutical Research. 2010. V.27. №8. P.1750.
  25. Artemyev M., Kisiel D., Abmiotko S. et al.//J. Amer. Chemical Soc. 2004. V. 126. № 34. P. 10594.
  26. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Таранов И.В. и др.//Журн. радиоэлектрон. 2014. №11, http://jre.cplire.ru/jre/nov14/9/text.pdf
  27. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Вдовин В.А. и др.//РЭ. 2015. Т.60. Н.10. С.1051-1063.
  28. Schoenbach K.H., Beebe S. J., Buescher E. S.//Bioelectromagnetics. 2001, V.22. №6. P.440.
  29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2003.
  30. Ким В.П., Ермаков А.М., Глуховской Е.Г. и др.//Российские нанотехнологии. 2014. T. 9. №. 5-6. C.47.