Um método de congelamento-descongelamento para preparar chitosan-poly (álcool de vinil) hidrogéis sem agentes crosslinking e estudos de liberação diflunisal
Summary
O método de congelamento-descongelamento é usado para produzir hidrogéis quitosan-poli (álcool de vinil) sem agentes de crosslinking. Para este método, é importante considerar as condições de congelamento (temperatura, número de ciclos) e razão de polímero, que podem afetar as propriedades e aplicações dos hidrogéis obtidos.
Abstract
Os hidrogéis chitosan-poly (álcool de vinil) podem ser produzidos pelo método de congelamento de descongelamento sem o uso de agentes tóxicos de crosslinking. As aplicações desses sistemas são limitadas por suas características (por exemplo, porosidade, flexibilidade, capacidade de inchaço, carregamento de drogas e capacidade de liberação de medicamentos), que dependem das condições de congelamento e do tipo e proporção de polímeros. Este protocolo descreve como preparar hidrogéis a partir de quitosana e poli (álcool de vinil) em 50/50 w/w % da composição do polímero e variando a temperatura de congelamento (-4 °C, -20 °C, -80 °C) e ciclos de congelamento-descongelamento (4, 5, 6 ciclos de congelamento). Foram obtidos espectraFT-IR, micrografia SEM e dados de porosimetria de hidrogéis. Além disso, a capacidade de inchaço e carregamento de drogas e liberação de diflunisal foram avaliados. Os resultados das micrografias sem e porosimetry mostram que o tamanho dos poros diminui, enquanto a porosidade aumenta em temperaturas mais baixas. A porcentagem de inchaço foi maior na temperatura de congelamento menor. A liberação do diflunisal dos hidrogéis foi estudada. Todas as redes mantêm a liberação de drogas por 30 h e observou-se que um mecanismo simples de difusão regula a liberação diflunisal de acordo com os modelos Korsmeyer-Peppas e Higuchi.
Introduction
Recentemente, os hidrogéis têm atraído grande interesse no campo biomédico, porque eles são redes tridimensionais com alto teor de água e são macios e flexíveis, para que eles possam imitar os tecidos naturais facilmente1. Além disso, eles não se dissolvem em meio aquoso a temperatura fisiológica e pH, mas apresentam um grande inchaço2. Hidrogéis podem atuar como andaimes de engenharia de tecidos, produtos de higiene, lentes de contato e curativos; porque eles podem prender e liberar compostos ativos e drogas, eles são usados como sistemas de entrega de drogas3. Dependendo de sua aplicação, hidrogéis podem ser feitos de polímeros naturais ou sintéticos, ou uma combinação de ambos, a fim de obter as melhores características4.
As propriedades dos hidrogéis são uma conseqüência de muitos fatores físicos e químicos. No nível físico, sua estrutura e morfologia dependem de sua porosidade, tamanho dos poros e distribuição de poros5. No nível químico e molecular, o tipo de polímero, o conteúdo do grupo hidrofílico na cadeia de polímeros, o tipo de ponto transversal e a densidade cruzada são os fatores que determinam a capacidade de inchaço e as propriedades mecânicas6,7.
De acordo com o tipo de agente crosslinking usado para formar a rede, os hidrogéis são classificados como hidrogéis químicos ou hidrogéis físicos. Hidrogéis químicos são unidos por interações covalentes entre suas cadeias, que são formadas através de irradiação UV e gama ou usando um agente crosslinking7,8. Hidrogéis químicos geralmente são fortes e resistentes, mas, geralmente, o agente crosslinking é tóxico para as células e sua remoção é difícil, por isso a sua aplicação é limitada. Por outro lado, hidrogéis físicos se formam pela conexão das cadeias de polímeros através de interações não covalentes, evitando o uso de agentes crosslinking4,9. As principais interações não covalentes na rede são interações hidrofóbicas, forças eletrostáticas, limites complementares e de hidrogênio7.
Poly (álcool de vinil) (PVA, Figura 1a)é um polímero sintético e solúvel em água com excelente desempenho mecânico e biocompatibilidade que pode de hidrogéis livres de agentes crosslink através do método de congelamento-descongelamento10,11. Este polímero tem a capacidade de formar zonas concentradas de ligações de hidrogênio entre grupos -OH de suas cadeias (zonas cristalinas) quando eles estão congelando12. Estas zonas cristalinas atuam como pontos de cruzamento na rede, e são promovidas por dois eventos: a aproximação das cadeias de polímeros quando a água cristalina se expande e as mudanças conformais pva de isotática para pva sindicotático durante o congelamento13. Por causa da liofilagem, os cristais de água são sublimados, deixando espaços vazios que são os poros no hidrogel14. Para obter hidrogéis com melhores propriedades, pva pode ser facilmente combinado com outros polímeros.
Nesse sentido, a quitosana constitui uma opção, pois é o único biopolímero de fontes naturais com cargas positivas. É obtido pela deacetilação da citona e é composto por combinações aleatórias de β-1,4 ligada saciedade D (unidade deacetilada) e N-acetil-D-glucosamina (unidade acetilada)15,16 (Figura 1b). Quitosana é biodegradável por enzimas humanas e é biocompatível. Além disso, por sua natureza cationic, pode interagir com a carga negativa da superfície celular, e esta propriedade tem sido associada com sua atividade antimicrobiana17. Este polímero é fácil de processar; no entanto, suas propriedades mecânicas não são suficientes e alguns materiais foram adicionados para formar complexos com melhores características.
Considerando características específicas da quitosa na quitarina e da PVA, a fabricação bem-sucedida de hidrogéis foi atingida pelo métododecongelamento-descongelamento2,18 para evitar o uso de agentes tóxicos de crosslinking. Em hidrogéis chitosan-PVA, as zonas cristalinas do PVA também são formadas, e as cadeias de quitosana são interpenetradas e formam ligações simples de hidrogênio com grupos -NH2 e grupos -OH no PVA. O hidrogel quitosan-PVA final é mecanicamente estável, com altas taxas de inchaço e baixa toxicidade, e com efeito antibacteriano18. No entanto, dependendo das condições de congelamento utilizadas na preparação (temperatura, tempo e número de ciclos), as características finais podem mudar. Alguns estudos relatam que aumentar o número de ciclos de congelamento diminui o grau de inchaço e aumenta a força de tração19,20. A fim de fortalecer a rede, outros agentes, como a radiação gama e UV e crosslinkers químicos têm sido utilizados adicionalmente após a preparação congelado21,22,23. Hidrogéis com maior proporção de quitosana têm uma rede mais porosa e alta capacidade de inchaço, mas menos força e estabilidade térmica. Neste contexto, é importante considerar as condições de preparação para obter hidrogéis adequados para a sua aplicação alvo.
O objetivo deste trabalho é apresentar em detalhes como as condições de congelamento (temperatura de congelamento e número de ciclos) afetam as características finais dos hidrogéis CS-PVA. Foram avaliadas características de espectros FT-IR, morfológicas e porosidades e capacidade de inchaço, bem como capacidade de carregamento e liberação de medicamentos. Nos estudos de liberação, diflunisal (Figura 1c)foi usado como droga modelo, devido ao seu tamanho adequado à estrutura hidrogel.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método de congelamento-descongelamento é um processo adequado para preparar hidrogéis biocompatíveis focados em aplicações biomédicas, farmacêuticas ou cosméticas34,35,36. A vantagem mais importante deste método, em comparação com outros métodos bem conhecidos para preparar hidrogéis, é que o uso de agentes crosslinking é evitado, o que poderia causar uma resposta inflamatória ou efeitos adversos no corpo huma…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores são gratos a C. Luzuriaga pelo apoio nas medições porosimetry. Autores também graças ao Ministerio de Economía y Competitividad da Espanha para apoio financeiro (Projeto MAT2014-59116-C2-2-R) e PIUNA (ref. 2018-15). Os autores também gostariam de reconhecer o Dr. Amir Maldonado do Departamento de Física-UNISON para apoio e comentários úteis e Dr. SE Burruel-Ibarra de DIPM-UNISON para imagens SEM e Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. para apoio financeiro. Me Martínez-Barbosa gostaria de agradecer aos projetos da CONACyT (México) nº 104931 e Nº 256753, além do apoio financeiro da Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de Redes Temáticas del CONACyT. E, também projeto USO316001081. MD Figueroa-Pizano gostaria de reconhecer CONACyT para apoio financeiro (bolsa 373321).
Materials
| Materials: | |||
| Chitosan medium molecular weight | Sigma-Aldrich | 448877 | Mw determined by capillary viscometry (637,000 Da) and deacetylation degree of 70% |
| Diflunisal (2'-4'-difluoro-4-hydroxy-3-biphenyl-carboxylicacid) | Merck | ||
| Glacial acetic acid | Sigma-Aldrich | 1005706 | |
| Poly(vinyl alcohol) | Sigma-Aldrich | 341584 | Mw 89,000-98,000, 99+% hydrolyzed |
| Equipment: | |||
| Cressington Sputter Coater 108 auto | TED PELLA INC | ||
| Cryodos Lyophilizator | Telstar | ||
| Falcon tubes | Thermo Fisher Company | ||
| FT-IR spectroscopy | Nicolet iS50 | in ATR mode | |
| Lyophilizator | LABCONCO | ||
| Micromeritics Autopore IV 9500 | Micromeritics | ||
| Scanning electron microscope | Pemtron SS-300LV | ||
| UV-visible spectrophotometer | Agilent 8453 |
References
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