Electro-responsive controlled drug delivery from melanin nanoparticles

Abstract

Electro-responsive controlled drug delivery has been attracting an increasing interest as one of the on-demand drug delivery systems, which aims to improve the efficacy of therapeutics by controlling the amount of drug release at a specific time and target site. “Smart-materials" have been exploited for this matter, as they can modulate their inherent physical properties by means of external stimuli, triggering the release of an active agent. Herein, we report a simple method to develop electro-responsive controlled drug delivery systems using melanin nanoparticles (MNPs) as the nanocarrier, functionalized with polydopamine and polypyrrole (FMNPs), used to precisely control the release of dexamethasone (Dex). FMNPs showed 376.77 ± 62.05 nm of particle size, a polydispersity index of 0.26 ± 0.09 and a zeta-potential of -32.59 ± 3.61 mV, and a characteristic spherical shape which was confirmed by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Fourier-transform infrared spectrometry and X-ray photoelectron spectroscopy analysis were able to confirm the successful deposition of polymers on the surface of FMNPs. The incorporation of Dex on FMNPs (DexFMNPs) was achieved with an incorporation efficiency of 94.45 ± 0.63% and the increase of zeta-potential to -40.34 ± 4.65 mV was attributed to the anionic nature of Dex. In vitro Dex release studies were performed without stimuli, with a maximum Dex release below 10%. Applying an increased voltage as stimuli the release of Dex is augmented, with a maximum of 32.39% after 24 h upon a voltage of -4:4 V and a stimuli frequency of 0.5 s-1 application. The designed controlled drug delivery system is an electro-responsive system that can improve the lack of efficiency and stability of the current traditional systems.

A libertação de fármacos de forma controlada por estímulos elétricos tem atraído um enorme interesse como um dos sistemas mais atrativos concebidos para melhorar a eficácia da terapêutica, através do controlo da quantidade de fármaco libertada num determinado período de tempo e sítio alvo. Dessa forma, têm sido explorados “materiais inteligentes” que são capazes de modular as suas propriedades físicas, através de estímulos elétricos, desencadeando a libertação do fármaco. Assim, neste trabalho é reportado um método simples para o desenvolvimento de sistemas libertação controlada de fármacos através de estímulos elétricos, utilizando nanopartículas de melanina como nanotransportador, funcionalizadas com polidopamina e polipirrol, de forma a controlar de forma precisa a libertação de dexametasona. As nanopartículas funcionalizadas com os polímeros apresentaram um tamanho de partícula de 376.77 ± 62.05 nm, um índice de polidispersão de 0.26 ± 0.09 e um potencial-zeta de -32.59 ± 3.61 mV, apresentando também uma forma esférica característica confirmada por microscopia eletrónica de varrimento e microscopia de força atómica. As análises efetuadas através de espectroscopia de infravermelhos com transformadas de Fourier e espectroscopia de fotoeletrões excitados por raios-X permitiram confirmar a deposição dos polímeros na superfície das nanopartículas funcionalizadas. A incorporação da dexametasona nas nanopartículas funcionalizadas foi concluída com uma eficiência de incorporação de 94.45 ± 0.63%, o que levou a um aumento no potencial-zeta para -40.34 ± 4.65 mV, atribuída à natureza aniónica do fármaco. Foram realizados estudos de libertação da dexametasona in vitro sem estímulos, obtendo-se uma libertação de fármaco máxima inferior a 10%. Quando foi aplicada uma corrente elétrica como estímulo, a libertação do fármaco foi aumentada, obtendo-se um máximo de 32.39% após 24 h e da aplicação de uma voltagem de -4:4 V e frequência de estímulo de 0.5 s-1. O sistema de libertação controlada de fármaco desenvolvido é um sistema que responde a estímulos elétricos, conseguindo, portanto, ultrapassar a falta de eficácia e estabilidade dos sistemas de libertação de fármacos tradicionalmente utilizados.