Highly Scalable, Closed-Loop Synthesis of Drug-Loaded, Layer-by-Layer Nanoparticles

Advanced Functional Materials

Volumn 26, Issue 7, 2016, Pages 991-1003

  Correa, Santiago ^a   Choi, Ki Young ^a   Dreaden, Erik C ^a   Renggli, Kasper ^a   Shi, Aria ^a   Gu, Li ^a   Shopsowitz, Kevin E ^a   Quadir, Mohiuddin A ^a   Ben Akiva, Elana ^a   Hammond, Paula T ^a  

^a USA   (United States)

Author keywords

biomaterials; colloid chemistry; layer by layer nanoparticles; polymer engineering; scalable synthesis

Indexed keywords

BIOMATERIALS; COLLOID CHEMISTRY; ENCAPSULATION; LIPOSOMES; NANOPARTICLES; NANOTECHNOLOGY; POLYELECTROLYTES; POLYMERS; PURIFICATION; SELF ASSEMBLY;

CLINICAL TRANSLATION; LARGE-SCALE APPLICATIONS; LAYER BY LAYER; LAYER BY LAYER SELF ASSEMBLY; LINEAR POLYPEPTIDES; POLYMER ENGINEERING; SCALABLE SYNTHESIS; STIMULI-RESPONSIVE;

SYNTHESIS (CHEMICAL);

EID: 84981216524     PISSN: 1616301X     EISSN: 16163028     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adfm.201504385     Document Type: Article

References (83)

1. a) D. Peer, J. M. Karp, S. Hong, O. C. Farokhzad, R. Margalit, R. Langer, Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 751;
2. b) V. P. Torchilin, Adv. Drug Delivery Rev. 2012, 64, 302;
3. c) G. Bao, S. Mitragotri, S. Tong, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2013, 15, 253.
4. A. Schroeder, D. A. Heller, M. M. Winslow, J. E. Dahlman, G. W. Pratt, R. Langer, T. Jacks, D. G. Anderson, Nat. Rev. Cancer 2012, 12, 39.
5. a) F. Caruso, Adv. Mater. 2001, 13, 11;
6. b) P. T. Hammond, Adv. Mater. 2004, 16, 12713;
7. c) P. T. Hammond, Nanomedicine 2012, 7, 619.
8. a) Z. Poon, J. B. Lee, S. W. Morton, P. T. Hammond, Nano Lett. 2011, 11, 2096;
9. b) S. W. Morton, N. J. Shah, M. A. Quadir, Z. J. Deng, Z. Poon, P. T. Hammond, Adv. Healthcare Mater. 2014, 3, 867;
10. c) Y. Wang, Y. Yan, J. Cui, L. Hosta-Rigau, J. K. Heath, E. C. Nice, F. Caruso, Adv. Mater. 2010, 22, 4293;
11. d) K. Fujimoto, T. Toyoda, Y. Fukui, Macromolecules 2007, 40, 5122;
12. e) D. I. Gittins, F. Caruso, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6846;
13. f) S. W. Morton, Z. Poon, P. T. Hammond, Biomaterials 2013, 34, 5328.
14. a) A. Elbakry, A. Zaky, R. Liebl, R. Rachel, A. Goepferich, M. Breunig, Nano Lett. 2009, 9, 2059;
15. b) Z. Poon, D. Chang, X. Zhao, P. T. Hammond, ACS Nano 2011, 5, 4284;
16. c) T. G. Shutava, S. S. Balkundi, P. Vangala, J. J. Steffan, R. L. Bigelow, J. A. Cardelli, D. P. O'Neal, Y. M. Lvov, ACS Nano 2009, 3, 1877.
17. a) R. K. Iler, J. Colloid Interface Sci. 1966, 21, 569;
18. b) G. Decher, J.-D. Hong, Makromol. Chem., Macromol. Symp. 1991, 46, 321;
19. c) G. Decher, J. D. Hong, J. Schmitt, Thin Solid Films 1992, 210, 831;
20. d) S. W. Keller, S. A. Johnson, E. S. Brigham, E. H. Yonemoto, T. E. Mallouk, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 128790;
21. e) E. Donath, G. B. Sukhorukov, F. Caruso, S. A. Davis, H. Möhwald, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2201;
22. f) E. Donath, G. B. Sukhorukov, F. Caruso, S. A. Davis, H. Möhwald, Angew. Chem. 1998, 110, 2323;
23. g) G. B. Sukhorukov, E. Donath, S. Davis, H. Lichtenfeld, F. Caruso, V. I. Popov, H. Möhwald, Polym. Adv. Technol. 1998, 9, 759;
24. h) F. Caruso, R. A. Caruso, H. Mohwald, Science 1998, 282, 1111.
25. J. Borges, J. F. Mano, Chem. Rev. 2014, 114, 8883.
26. a) L. L. Del Mercato, A. Z. Abbasi, M. Ochs, W. J. Parak, ACS Nano 2011, 5, 9668;
27. b) L. L. Del Mercato, A. Z. Abbasi, W. J. Parak, Small 2011, 7, 351;
28. c) L. I. Kazakova, L. I. Shabarchina, G. B. Sukhorukov, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 111107;
29. d) D. G. Shchukin, G. B. Sukhorukov, Adv. Mater. 2004, 16, 671;
30. e) K. Ariga, J. P. Hill, Q. Ji, Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 2319.
31. a) A. M. Alkilany, S. P. Boulos, S. E. Lohse, L. B. Thompson, C. J. Murphy, Bioconjuguate Chem. 2014, 25, 1162;
32. b) Z. J. Deng, S. W. Morton, E. Ben-Akiva, E. C. Dreaden, K. E. Shopsowitz, P. T. Hammond, ACS Nano 2013, 7, 9571;
33. c) E. C. Dreaden, Y. W. Kong, S. W. Morton, S. Correa, K. Y. Choi, K. E. Shopsowitz, K. Renggli, R. Drapkin, M. B. Yaffe, P. T. Hammond, Clin. Cancer Res. 2015, 21, 4410.
34. a) M. Chanana, A. Gliozzi, A. Diaspro, I. Chodnevskaja, S. Huewel, V. Moskalenko, K. Ulrichs, H. J. Galla, S. Krol, Nano Lett. 2005, 5, 2605;
35. b) G. Schneider, G. Decher, Nano Lett. 2004, 4, 1833;
36. c) G. Schneider, G. Decher, N. Nerambourg, R. Praho, M. H. Werts, M. Blanchard-Desce, Nano Lett. 2006, 6, 530;
37. d) X. Hong, J. Li, M. Wang, J. Xu, W. Guo, J. Li, Y. Bai, T. Li, Chem. Mater. 2004, 16, 4022.
38. E. C. Dreaden, S. W. Morton, K. E. Shopsowitz, J. H. Choi, Z. J. Deng, N. J. Cho, P. T. Hammond, ACS Nano 2014, 8, 8374.
39. G. F. Schneider, V. Subr, K. Ulbrich, G. Decher, Nano Lett. 2009, 9, 636.
40. G. Schneider, G. Decher, Langmuir 2008, 24, 1778.
41. a) A. Voigt, H. Lichtenfeld, G. B. Sukhorukov, H. Zastrow, E. Donath, H. Bäumler, H. Möhwald, Ind. Eng. Chem. Res. 1999, 38, 4037;
42. b) A. Qi, P. Chan, J. Ho, A. Rajapaksa, J. Friend, L. Yeo, ACS Nano 2011, 5, 9583;
43. c) D. G. Shchukin, D. S. Kommireddy, Y. Zhao, T. Cui, G. B. Sukhorukov, Y. M. Lvov, Adv. Mater. 2004, 16, 389;
44. d) C. Kantak, S. Beyer, L. Yobas, T. Bansal, D. Trau, Lab Chip 2011, 11, 1030;
45. e) C. Priest, A. Quinn, A. Postma, A. N. Zelikin, J. Ralston, F. Caruso, Lab Chip 2008, 8, 2182;
46. f) J. J. Richardson, H. Ejima, S. L. Lorcher, K. Liang, P. Senn, J. Cui, F. Caruso, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6455;
47. g) J. J. Richardson, H. Ejima, S. L. Lorcher, K. Liang, P. Senn, J. Cui, F. Caruso, Angew. Chem. 2013, 125, 6583;
48. h) J. J. Richardson, D. Teng, M. Bjornmalm, S. T. Gunawan, J. Guo, J. Cui, G. V. Franks, F. Caruso, Langmuir 2014, 30, 100284.
49. S. W. Morton, K. P. Herlihy, K. E. Shopsowitz, Z. J. Deng, K. S. Chu, C. J. Bowerman, J. M. Desimone, P. T. Hammond, Adv. Mater. 2013, 25, 4707.
50. a) G. Dalwadi, H. A. Benson, Y. Chen, Pharm. Res. 2005, 22, 2152;
51. b) S. Hirsjarvi, Y. Qiao, A. Royere, J. Bibette, J. P. Benoit,., Eur. J. Pharm. Biopharm., 2010, 76, 200;
52. c) S. F. Sweeney, G. H. Woehrle, J. E. Hutchison, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3190.
53. S. E. Lohse, J. R. Eller, S. T. Sivapalan, M. R. Plews, C. J. Murphy, ACS Nano 2013, 7, 4135.
54. M. Bjornmalm, A. Roozmand, K. F. Noi, J. Guo, J. Cui, J. J. Richardson, F. Caruso, Langmuir 2015, 31, 9054.
55. a) S. T. Dubas, J. B. Schlenoff, Langmuir 2001, 17, 7725;
56. b) S. E. Burke, C. J. Barrett, Langmuir 2003, 19, 3297;
57. c) N. Parveen, M. Schonhoff, Macromolecules 2013, 46, 7880.
58. P. A. Shields, S. R. Farrah, Appl. Environ. Microbiol. 1983, 45, 526.
59. G. J. Zhang, H. H. Yan, S. L. Ji, Z. Z. Liu, J. Membr. Sci. 2007, 292, 1.
60. 2, which necessitate increasingly dense polyelectrolyte layers to achieve charge neutralization and reversal. See ref. [23] for further sources.
61. a) H. I. Petrache, S. W. Dodd, M. F. Brown, Biophys. J. 2000, 79, 3172;
62. b) J. Henin, W. Shinoda, M. L. Klein, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6958;
63. c) G. T. Hermanson, Bioconjugate Techniques, 2nd ed. Academic Press, Amsterdam 2008.
64. a) C. Grabinski, N. Schaeublin, A. Wijaya, H. D'Couto, S. H. Baxamusa, K. Hamad-Schifferli, S. M. Hussain, ACS Nano 2011, 5, 2870;
65. b) T. S. Hauck, A. A. Ghazani, W. C. Chan, Small 2008, 4, 153.
66. A. M. Alkilany, S. E. Lohse, C. J. Murphy, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 650.
67. a) K. Y. Choi, H. Y. Yoon, J. H. Kim, S. M. Bae, R. W. Park, Y. M. Kang, I. S. Kim, I. C. Kwon, K. Choi, S. Y. Jeong, K. Kim, J. H. Park, ACS Nano 2011, 5, 8591;
68. b) M. D. Salazar, M. Ratnam, Cancer Metastasis Rev. 2007, 26, 141.
69. a) J. E. Scott, C. Cummings, A. Brass, Y. Chen, Biochem. J. 1991, 274, 699;
70. b) J. E. Scott, F. Heatley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 4850;
71. c) J. E. Scott, F. Heatley, Biomacromolecules 2002, 3, 547.
72. S. T. Lim, G. P. Martin, D. J. Berry, M. B. Brown, J. Controlled Release 2000, 66, 281.
73. a) B. S. Kim, H. J. Kang, J. Y. Park, J. Lee, Exp. Mol. Med. 2015, 47, e128;
74. b) G. Sharma, S. Kar, W. Basu Ball, K. Ghosh, P. K. Das, Cell. Mol. Immunol. 2014, 11, 263.
75. W. Abdelwahed, G. Degobert, S. Stainmesse, H. Fessi, Adv. Drug Delivery Rev. 2006, 58, 1688.
76. Because the lyophilization and reconstitution stages of the freeze-dried storage process are most likely to destabilize the nanoparticles, we expect that these particles could be stored for longer periods than demonstrated here. Nonetheless, a full week was chosen so as to demonstrate compatibility with timeframes common to shipping needs.
77. H. Takeuchi, H. Yamamoto, T. Toyoda, H. Toyobuku, T. Hino, Y. Kawashima, Int. J. Pharm. 1998, 164, 103.
78. a) H. Murakami, M. Kobayashi, H. Takeuchi, Y. Kawashima, Int. J. Pharm. 1999, 187, 143;
79. b) M. Berton, E. Allémann, C. A. Stein, R. Gurny, Eur. J. Pharm. Sci. 1999, 9, 163;
80. c) F. De Jaeghere, E. Allemann, J. C. Leroux, W. Stevels, J. Feijen, E. Doelker, R. Gurny, Pharm. Res. 1999, 16, 859.
81. S. Kamiya, Y. Nozawa, A. Miyagishima, T. Kurita, Y. Sadzuka, T. Sonobe, Chem. Pharm. Bull. 2006, 54, 181.
82. L. Li, B. C. Bae, T. H. Tran, K. H. Yoon, K. Na, K. M. Huh, Carbohydr. Polym. 2011, 86, 708.
83. K. Zhang, L. L. Xu, J. G. Jiang, N. Calin, K. F. Lam, S. J. Zhang, H. H. Wu, G. D. Wu, B. Albela, L. Bonneviot, P. Wu, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 2427.