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Engineered mesoporous silica nanoparticles as drug carriers for sublingual delivery
Sara Hoxhallari
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie und Technologie der Materialien
Betreuer*in
Freddy Kleitz
DOI
10.25365/thesis.80977
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17832.97676.137815-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die sublinguale Arzneistoffapplikation stellt eine nicht-invasive Alternative zur raschen systemischen Wirkstoffresorption dar, da sie sowohl die gastrointestinale Degradation als auch den hepatischen First-Pass-Metabolismus umgeht. Allerdings begrenzen die kurze Verweildauer des Wirkstoffs am Resorptionsort, das geringe zur Auflösung verfügbare Speichelvolumen sowie Stabilitätsanforderungen die Anzahl geeigneter Wirkstoffe für die sublinguale Anwendung. Mesoporöse Silika-Nanopartikel (MSNs) gelten aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, einstellbaren Partikelgröße, definierten Porosität und vielseitigen Oberflächenfunktionalisierung als vielversprechende Wirkstoffträgersysteme. In der vorliegenden Arbeit wurden dendritische mesoporöse Silika-Nanopartikel (DMSNs) als potenzielle Trägersysteme für die sublinguale Wirkstofffreisetzung entwickelt, mit dem Ziel, die Wirkstofflöslichkeit zu verbessern, die Substanzen vor enzymatischer Degradation zu schützen und die Zytotoxizität zu optimieren. DMSNs mit Partikelgrößen von 50 nm (DMSN-50) und 130 nm (DMSN-130) wurden synthetisiert, um den Einfluss der Partikelgröße auf die Interaktion mit bukkalen Epithelzellen zu untersuchen. Zur Verbesserung der kolloidalen Stabilität und Biokompatibilität wurden DMSN-50 und DMSN-130 entweder mit Phosphonat-Gruppen funktionalisiert (DMSN-50-PO₃ und DMSN-130-PO₃) oder alternativ mit Liposomen beschichtet, bestehend aus Phosphatidylcholin, Cholesterin und PEGylierten Lipiden (L-DMSN-50 und L-DMSN-130). Die physikochemischen Eigenschaften der funktionalisierten Partikel wurden umfassend charakterisiert, und ihre biologische Performance wurde mittels In-vitro-Zellviabilitäts- und Aufnahmeuntersuchungen evaluiert. Dabei zeigte sich eine verbesserte Zellviabilität nach Behandlung mit funktionalisierten Partikeln, insbesondere mit lipidbeschichteten Systemen, was mit effizienten Zell-Partikel-Interaktionen und einer potenziellen Internalisierung korrelierte. Zur weiteren Adressierung der limitierten Biodegradierbarkeit silikabasierter Nanocarrier wurden Glutathion (GSH)-responsive Materialien durch Einbau von Tetrasulfid-Brücken in das Silikanetzwerk synthetisiert, wodurch mesoporöse Organosilika-Nanopartikel (MOSNs) und dendritische Organosilika-Nanopartikel (DMOSNs) entstanden. Diese GSH-sensitiven Bindungen wurden so konzipiert, dass sie auf erhöhte intrazelluläre GSH-Konzentrationen reagieren und dadurch nach der Wirkstofffreisetzung eine Partikeldegradation begünstigen. Unter Bedingungen erhöhter GSH-Konzentrationen, die intrazelluläre Verhältnisse simulieren, verblieben nicht-funktionalisierte DMSNs als stabile kolloidale Suspensionen, während MOSNs und DMOSNs eine GSH-induzierte Aggregation zeigten, die mit Partikeldeformation und potenzieller Biodegradierbarkeit korrelierte. Zusammenfassend unterstreicht diese Studie die Bedeutung einer gezielten strukturellen und oberflächenchemischen Modifikation dendritischer mesoporöser Silika-Nanocarrier zur Optimierung ihrer Leistungsfähigkeit in der sublingualen Wirkstoffapplikation. Darüber hinaus wird eine neuartige Synthesestrategie zur Integration von Tetrasulfid-Brücken in dendritische mesoporöse Silikapartikel vorgestellt, wodurch redox-responsive Gerüstpartikel generiert werden, die zu einer verbesserten Sicherheit und Abbaubarkeit silikabasierter Nanocarrier in der sublingualen Arzneistofffreisetzung beitragen können.
Abstract
(Englisch)
Sublingual drug delivery offers a non-invasive alternative for rapid systemic drug absorption, avoiding gastrointestinal degradation and hepatic metabolism. However, the short drug residence time at the absorption site, the low salivary volume required to dissolve the drug, and stability constraints limit the range of compounds amenable to sublingual administration. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are promising drug-delivery carriers due to their high surface area, tunable particle size, porosity, and versatile surface chemistry. In this work, dendritic mesoporous silica nanoparticles (DMSNs) were engineered as potential carriers for sublingual drug delivery as a strategy to improve drug solubility, protect the drugs from enzymatic degradation and decrease cytotoxicity. DMSNs of 50 nm (DMSN-50) and 130 nm (DMSN-130) were synthesized to evaluate the effect of particle size interaction with buccal epithelial cells. To improve colloidal stability and ensure biocompatibility, DMSN-50 and DMSN-130 were functionalized with phosphonate moieties (DMSN-50-PO3 and DMSN-130-PO3) or alternatively coated with liposomes composed of phosphatidylcholine, cholesterol, and PEGylated lipids (L-DMSN-50 and L-DMSN-130). The physicochemical properties of the functionalized particles were characterized, and their biological performance was evaluated using in vitro cell viability and uptake studies, demonstrating improved cell viability upon treatment with functionalized particles, particularly those with lipid coatings, in agreement with efficient cell-particle interactions and potential internalization. To further address concerns about the limited biodegradability of silica nanocarriers, glutathione (GSH)-responsive materials were synthesized by incorporating tetrasulfide bridges into the silica framework, yielding mesoporous organosilica nanoparticles (MOSNs) and dendritic organosilica nanoparticles (DMOSNs). In order to promote particle degradation after drug release, these GSH-responsive linkages were designed to respond to high intracellular GSH concentrations within cells. At elevated GSH levels, mimicking intracellular conditions, the non-functionalized DMSNs remained as stable colloidal suspensions while the MOSNs and DMOSNs exhibited GSH-responsive aggregation, correlating with particle deformation and potential biodegradability. Overall, this study highlights the importance of structural and surface engineering of DMSNs nanocarriers to enhance their performance in sublingual drug delivery applications, as well as presenting a novel synthesis strategy for incorporating tetrasulfide bridges into dendritic mesoporous silica particles, leading to redox-responsive framework particles that may contribute to improved safety and degradability of silica nanocarriers in sublingual drug delivery applications.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mesoporöse Silica-Nanopartikel MSN
Schlagwörter
(Englisch)
Mesoporous Silica Nanoparticles MSN
Autor*innen
Sara Hoxhallari
Haupttitel (Englisch)
Engineered mesoporous silica nanoparticles as drug carriers for sublingual delivery
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 71 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Freddy Kleitz
Klassifikation
35 Chemie > 35.61 Funktionelle Gruppen
AC Nummer
AC17848057
Utheses ID
80014
Studienkennzahl
UA | 066 | 658 | |