एक फ्रीज-विगल विधि चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल ्सकोलिंकिंग एजेंटों और डिफ्लिनियल रिलीज स्टडीज के बिना तैयार करने के लिए
Summary
ठंड-विगलन विधि का उपयोग बिना लिंकिंग एजेंटों के चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इस विधि के लिए, ठंड की स्थिति (तापमान, चक्रों की संख्या) और बहुलक अनुपात पर विचार करना महत्वपूर्ण है, जो प्राप्त हाइड्रोगेल के गुणों और अनुप्रयोगों को प्रभावित कर सकता है।
Abstract
चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल विषाक्त क्रॉसलिंकिंग एजेंटों का उपयोग किए बिना फ्रीज-विगल विधि द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। इन प्रणालियों के अनुप्रयोग उनकी विशेषताओं (उदाहरण के लिए, porosity, लचीलापन, सूजन क्षमता, दवा लोडिंग और दवा रिलीज क्षमता) द्वारा सीमित हैं, जो ठंड की स्थिति और बहुलक के प्रकार और अनुपात पर निर्भर करते हैं। इस प्रोटोकॉल में बताया गया है कि 50/50 w/w% बहुलक संरचना पर चितोसन और पॉली (विनाइल अल्कोहल) से हाइड्रोगेल कैसे तैयार किया जाए और ठंड के तापमान (-4 डिग्री सेल्सियस, -20 डिग्री सेल्सियस, -80 डिग्री सेल्सियस) और फ्रीज-विगिंग चक्र (4, 5, 6 फ्रीजिंग चक्र) को अलग किया जाए। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा, एसईएम माइक्रोग्राफ और हाइड्रोगेल के पोरोसिमेट्री डेटा प्राप्त किए गए थे। साथ ही सूजन क्षमता और दवा लोडिंग और डिफ्लिनल की रिहाई का भी आकलन किया गया। एसईएम माइक्रोग्राफ और पोरोसिमेट्री के परिणाम बताते हैं कि ताकना का आकार कम हो जाता है, जबकि पोरोसिटी कम तापमान पर बढ़ जाती है। मामूली ठंड के तापमान पर सूजन प्रतिशत अधिक था । हाइड्रोजेलसे डिफ्लनिसाल की रिहाई का अध्ययन किया गया है। सभी नेटवर्क 30 घंटे के लिए दवा रिलीज को बनाए रखते हैं और यह देखा गया है कि एक साधारण प्रसार तंत्र कोरस्मेयर-पेप्पास और हिगुची मॉडलों के अनुसार डिफ्लोरिसाल रिलीज को नियंत्रित करता है।
Introduction
हाल ही में, हाइड्रोगेल ने जैव चिकित्सा क्षेत्र में बहुत रुचि दिखाई है क्योंकि वे उच्च जल सामग्री के साथ तीन आयामी नेटवर्क हैं और नरम और लचीले हैं, इसलिए वे प्राकृतिक ऊतकों की आसानी से नकल कर सकते हैं1। इसके अलावा, वे शारीरिक तापमान और पीएच पर जलीय माध्यम में भंग नहीं करते हैं, लेकिन एक बड़ी सूजन2पेश करते हैं। हाइड्रोगेल ऊतक इंजीनियरिंग मचान, स्वच्छता उत्पादों, संपर्क लेंस, और घाव ड्रेसिंग के रूप में कार्य कर सकते हैं; क्योंकि वे जाल और सक्रिय यौगिकों और दवाओं जारी कर सकते हैं, वे दवा वितरण सिस्टम3के रूप में उपयोग किया जाता है . उनके आवेदन के आधार पर, हाइड्रोगेल प्राकृतिक या सिंथेटिक पॉलिमर, या दोनों के संयोजन से बनाया जा सकता है, ताकि सबसे अच्छी विशेषताओं को प्राप्त किया जासके।
हाइड्रोजेल के गुण कई भौतिक और रासायनिक कारकों का परिणाम हैं। भौतिक स्तर पर, उनकी संरचना और आकृति विज्ञान उनकी पोरोसिटी, पोर आकार और पोर वितरण5पर निर्भर करती है। रासायनिक और आणविक स्तर पर, बहुलक प्रकार, बहुलक श्रृंखला में हाइड्रोफिलिक समूह सामग्री, क्रॉसलिंकिंग पॉइंट प्रकार, और क्रॉस-लिंकिंग घनत्व वे कारक हैं जो सूजन क्षमता और यांत्रिक गुणोंको 6,7निर्धारित करते हैं।
नेटवर्क बनाने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले क्रॉसलिंकिंग एजेंट के प्रकार के अनुसार, हाइड्रोगेल को रासायनिक हाइड्रोगेल या भौतिक हाइड्रोगेल के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। रासायनिक हाइड्रोगेल उनकी जंजीरों के बीच सहसंयोजक बातचीत से जुड़े होते हैं, जो यूवी और गामा विकिरण के माध्यम से बनते हैं या क्रॉसलिंकिंग एजेंट7,8का उपयोग करते हैं। रासायनिक हाइड्रोगेल आमतौर पर मजबूत और प्रतिरोधी होते हैं लेकिन आम तौर पर, क्रॉसलिंकिंग एजेंट कोशिकाओं के लिए विषाक्त होता है और इसका निष्कासन मुश्किल होता है, इसलिए इसका आवेदन सीमित होता है। दूसरी ओर, भौतिक हाइड्रोगेल गैर-सहसंयोजक बातचीत के माध्यम से बहुलक श्रृंखलाओं के कनेक्शन से बनते हैं, जो क्रॉसलिंकिंग एजेंटों4,9के उपयोग से बचते हैं। नेटवर्क में मुख्य गैर-सहसंयोजक बातचीत हाइड्रोफोबिक इंटरैक्शन, इलेक्ट्रोस्टैटिक फोर्सेज, पूरक और हाइड्रोजन सीमा7हैं।
पॉली (विनाइल अल्कोहल) (पीवीए, चित्रा 1ए)उत्कृष्ट यांत्रिक प्रदर्शन और बायोकॉम्पिटीबिलिटी के साथ एक सिंथेटिक और पानी में घुलनशील बहुलक है जो फ्रीज-विगलन विधि10,11के माध्यम से क्रॉसलिंक एजेंट-मुक्त हाइड्रोगेल से कर सकता है। इस बहुलक में अपनी श्रृंखलाओं (क्रिस्टलीय क्षेत्रों) के -ओह समूहों के बीच हाइड्रोजन बांड के केंद्रित क्षेत्र बनाने की क्षमता है जब वे12को फ्रीज कर रहे हैं। ये क्रिस्टलीय क्षेत्र नेटवर्क में क्रॉसलिंकिंग पॉइंट्स के रूप में कार्य करते हैं, और उन्हें दो घटनाओं द्वारा बढ़ावा दिया जाता है: पॉलीमर चेन के आने पर क्रिस्टल पानी फैलता है और फ्रीज13के दौरान आइसोटैक्टिक से सिंडिओटैक्टिक पीवीए में पीवीए संरचना परिवर्तन होता है। फ्रीज-सुखाने के कारण, पानी के क्रिस्टल को उदात्त किया जाता है, जिससे शून्य रिक्त स्थान हो जाता है जो हाइड्रोगेल14में छिद्र होते हैं। बेहतर गुणों के साथ हाइड्रोगेल प्राप्त करने के लिए, पीवीए को आसानी से अन्य बहुलकके साथ जोड़ा जा सकता है।
इस अर्थ में, चिटोसन एक विकल्प का गठन करता है क्योंकि यह सकारात्मक शुल्क के साथ प्राकृतिक स्रोतों से एकमात्र बायोपॉलिमर है। यह चिटिन के डिसेटाइलेशन द्वारा प्राप्त किया जाता है और यह 1,4 लिंक्ड डी-ग्लूकोसामाइन (डिसेटिलेटेड यूनिट) और एन-एसिटिल-डी-ग्लूकोसामाइन (एसिटिलेटेड यूनिट)15,16(चित्रा 1बी)के यादृच्छिकसंयोजनों से बना है। चिटोसन मानव एंजाइमों द्वारा बायोडिग्रेडेबल है और यह जैव संगत है। इसके अलावा, इसकी सीनिक प्रकृति से, यह सेल सतह के नकारात्मक आवेश के साथ बातचीत कर सकता है, और यह संपत्ति इसकी रोगाणुरोधी गतिविधि17से जुड़ी हुई है। इस बहुलक को संसाधित करने के लिए आसान है; हालांकि, उनके यांत्रिक गुण पर्याप्त नहीं हैं और बेहतर विशेषताओं के साथ परिसरों के रूप में कुछ सामग्री जोड़ी गई है।
चिटोसन और पीवीए की विशिष्ट विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए, जहरीले क्रॉसलिंकिंग एजेंटों के उपयोग से बचने के लिए फ्रीज-विगलन विधि2,18 द्वारा हाइड्रोगेल का सफल निर्माण किया गया है। चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल में, पीवीए के क्रिस्टलीय क्षेत्र भी बनते हैं, और चिटोसन श्रृंखलाएं परस्पर प्रवेश ित होती हैं और पीवीए में -एनएच2 समूहों और -ओह समूहों के साथ सरल हाइड्रोजन बांड बनाती हैं। अंतिम चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल यांत्रिक रूप से स्थिर है, जिसमें सूजन और कम विषाक्तता की उच्च दरें हैं, और जीवाणुरोधी प्रभाव18के साथ। हालांकि, तैयारी (तापमान, समय और चक्रों की संख्या) में उपयोग की जाने वाली ठंड की स्थिति के आधार पर, अंतिम विशेषताएं बदल सकती हैं। कुछ अध्ययनों में बताया गया है कि ठंड चक्रों की संख्या बढ़ने से सूजन की मात्रा कम हो जाती है और तन्य शक्ति19,20बढ़ जाती है . नेटवर्क को मजबूत करने के लिए,21,22,23को फ्रीज-गल तैयारी के बाद गामा और यूवी विकिरण और रासायनिक क्रॉसलिंकर्स जैसे अन्य एजेंटों का अतिरिक्त उपयोग किया गया है। उच्च चिटोसन अनुपात वाले हाइड्रोगेल में अधिक असुरक्षित नेटवर्क और उच्च सूजन क्षमता होती है लेकिन कम ताकत और थर्मल स्थिरता होती है। इस संदर्भ में, अपने लक्ष्य आवेदन के लिए उपयुक्त हाइड्रोजेल प्राप्त करने के लिए तैयारी की शर्तों पर विचार करना महत्वपूर्ण है।
इस काम का उद्देश्य विस्तार से प्रस्तुत करना है कि ठंड की स्थिति (ठंड का तापमान और चक्रों की संख्या) सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल की अंतिम विशेषताओं को कैसे प्रभावित करती है। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा, रूपात्मक और पोरोसिटी विशेषताओं और सूजन क्षमता का मूल्यांकन किया गया, साथ ही दवा लोडिंग और रिलीज क्षमता का मूल्यांकन किया गया। रिलीज अध्ययनों में, हाइड्रोजेल संरचना के लिए उपयुक्त इसके आकार के कारण, डिफ्लिनसल(चित्रा 1सी)का उपयोग मॉडल दवा के रूप में किया गया था।
Protocol
Representative Results
Discussion
फ्रीज-विगलन विधि बायोमेडिकल, फार्मास्यूटिकल या सौंदर्य प्रसाधन अनुप्रयोगों34,35,36में केंद्रित जैव संगत हाइड्रोगेल तैयार करने के लिए एक उपयुक्त प्रक्रिया है। हाइड्र…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक पोरोसिमेट्री माप में समर्थन के लिए सी लुज़ुरिगा के आभारी हैं। लेखकों ने वित्तीय सहायता (परियोजना MAT2014-59116-C2-2-R) और PIUNA (रेफरी 2018-15) के लिए स्पेन के मिनिस्टरियो डी ओविडिया वाई प्रतिस्पर्धी के लिए भी धन्यवाद। लेखक भी समर्थन और सहायक टिप्पणियों के लिए विदामेंटो डी Física-UNISON से डॉ अमीर माल्डोनाडो को स्वीकार करना चाहते है और डॉ एसई Burruel-Ibarra DIPM से-एक सुर से एसईएम छवियों के लिए और रूबियो फार्मा y Asociados एस डी सी वी वित्तीय सहायता के लिए । एमई मार्टिनेज-बारबोसा कोनासाइट (मेक्सीको) परियोजनाओं नंबर 104931 और नंबर 256753 का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं, इसके अलावा रेड टेमेरा डी नैनोसिएनसियास वाई नैनोटेक्नोलोजिया डेल प्रोग्रामा डी रेड टेम्साइटस डेल कॉनसिएट से वित्तीय सहायता। और, यह भी परियोजना USO316001081। एमडी फिगुरोआ-पिजानो वित्तीय सहायता (छात्रवृत्ति 373321) के लिए CONACyT स्वीकार करना चाहते हैं।
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 |
Riferimenti
- Gyles, D. A., Castro, L. D., Silva, J. O. C., Ribeiro-Costa, R. M. A review of the designs and prominent biomedical advances of natural and synthetic hydrogel formulations. European Polymer Journal. 88 (01), 373-392 (2017).
- Abdel-Mohsen, a. M., Aly, a. S., Hrdina, R., Montaser, a. S., Hebeish, a. Eco-Synthesis of PVA/Chitosan Hydrogels for Biomedical Application. Journal of Polymers and the Environment. 19, 1005-1012 (2011).
- Caló, E., Khutoryanskiy, V. V. Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products. European Polymer Journal. 65, 252-267 (2015).
- Ahmadi, F., Oveisi, Z., Samani, M., Amoozgar, Z. Chitosan based hydrogels: Characteristics and pharmaceutical applications. Research in Pharmaceutical Sciences. 10 (1), 1-16 (2015).
- Siepmann, J., Siegel, R. A., Rathbone, M. J. Fundamentals and applications of controlled release drug delivery. Fundamentals and Applications of Controlled Release Drug Delivery. , (2012).
- Gulrez, S. K. H., Al-Assaf, S., Phillips, O. G. Hydrogels: Methods of Preparation, Characterisation and Applications. Progress in Molecular and Environmental Bioengineering – From Analysis and Modeling to Technology Applications. , 117-146 (2011).
- Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
- Deligkaris, K., Tadele, T. S., Olthuis, W., van den Berg, A. Hydrogel-based devices for biomedical applications. Sensors and Actuators, B: Chemical. 147 (2), 765-774 (2010).
- Patel, A., Mequanint, K. Hydrogel Biomaterials. Biomedical Engineering – Frontiers and Challenges. , 275-296 (2012).
- Kenawy, E., Kamoun, E. A., El-meligy, M. A., Mohy, M. S. Physically crosslinked poly ( vinyl alcohol ) – hydroxyethyl starch blend hydrogel membranes Synthesis and characterization for biomedical applications. Arabian Journal of Chemistry. 7 (3), 372-380 (2014).
- Kamoun, E. A., Kenawy, E. R. S., Chen, X. A review on polymeric hydrogel membranes for wound dressing applications: PVA-based hydrogel dressings. Journal of Advanced Research. 8 (3), 217-233 (2017).
- Hassan, C. M., Peppas, N. A. Structure and Morphology of Freeze / Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 33, 2472-2479 (2000).
- Tsou, Y. H., Khoneisser, J., Huang, P. C., Xu, X. Hydrogel as a bioactive material to regulate stem cell fate. Bioactive Materials. 1 (1), 39-55 (2016).
- Kumar, A., Mishra, R., Reinwald, Y., Bhat, S. Cryogels: Freezing unveiled by thawing. Materials Today. 13 (11), 42-44 (2010).
- Wu, T., Li, Y., Lee, D. S. Chitosan-based composite hydrogels for biomedical applications. Macromolecular Research. 25 (6), 480-488 (2017).
- Dutta, P. K., Dutta, J., Tripathi, V. S. Chitin and chitosan: Chemistry, properties and applications. Journal of Scientific and Industrial Research. 63, 20-31 (2004).
- Szymańska, E., Winnicka, K. Stability of Chitosan—A Challenge for Pharmaceutical and Biomedical Applications. Marine Drugs. 13, 1819-1846 (2015).
- Yang, X., Liu, Q., Chen, X., Yu, F., Zhu, Z. Investigation of PVA/ws-chitosan hydrogels prepared by combined gamma-irradiation and freeze-thawing. Carbohydrate Polymers. 73 (3), 401-408 (2008).
- Mathews, D. T., Birbey, Y. A., Cahill, P. A., McGuinness, G. B. Mechanical and Morphological Characteristics of Poly(vinyl alcohol)/Chitosan Hydrogels. Journal of Applied Polymer Science. 109, 1129-1137 (2008).
- Hosseini, M. S., Amjadi, I., Haghighipour, N. Preparation of Poly(vinyl alcohol)/Chitosan-Blended Hydrogels: Properties, in Vitro Studies and Kinetic Evaluation. Journal of Biomimetics, Biomaterials, and Tissue Engineering. 15, 63-72 (2012).
- Afshari, M. J., Sheikh, N., Afarideh, H. PVA/CM-chitosan/honey hydrogels prepared by using the combined technique of irradiation followed by freeze-thawing. Radiation Physics and Chemistry. 113, 28-35 (2015).
- Agnihotri, S., Mukherji, S. S., Mukherji, S. S. Antimicrobial chitosan-PVA hydrogel as a nanoreactor and immobilizing matrix for silver nanoparticles. Applied Nanoscience. 2 (3), 179-188 (2012).
- Yang, X., et al. Cytotoxicity and wound healing properties of PVA/ws-chitosan/glycerol hydrogels made by irradiation followed by freeze-thawing. Radiation Physics and Chemistry. 79 (5), 606-611 (2010).
- Machín, R., Isasi, J. R., Vélaz, I. Hydrogel matrices containing single and mixed natural cyclodextrins. Mechanisms of drug release. European Polymer Journal. 49 (12), 3912-3920 (2013).
- Ritger, P. L., Peppas, N. A. A Simple Equation for Description of Solute Release. Journal of Controlled Release. 5, 37-42 (1987).
- Abureesh, M. A., Oladipo, A. A., Gazi, M. Facile synthesis of glucose-sensitive chitosan-poly(vinyl alcohol) hydrogel: Drug release optimization and swelling properties. International Journal of Biological Macromolecules. 90, 75-80 (2016).
- Mansur, H. S., Sadahira, C. M., Souza, A. N., Mansur, A. A. P. FTIR spectroscopy characterization of Poly(vinyl alcohol) hydrogel with different hydrolysis degree and chemically crosslinked with glutaraldehyde. Materials Science and Engineering C. 28 (4), 539-548 (2008).
- Parida, U. K., Nayak, A. K., Binhani, B. K., Nayak, P. L. Synthesis and Characterization of Chitosan-Polyvinyl Alcohol Blended with Cloisite 30B for Controlled Release of the Anticancer Drug Curcumin. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 02 (04), 414-425 (2011).
- Zu, Y., et al. Preparation and characterization of chitosan-polyvinyl alcohol blend hydrogels for the controlled release of nano-insulin. International Journal of Biological Macromolecules. 50 (1), 82-87 (2012).
- Lejardi, A., Hernández, R., Criado, M., Santos, J. I., Etxeberria, A., Sarasua, J. R. Novel hydrogels of chitosan and poly ( vinyl alcohol ) -g-glycolic acid copolymer with enhanced rheological properties. Carbohydrate Polymers. , 267-273 (2014).
- dos Reis, E. F., et al. Synthesis and characterization of Poly(vinyl alcohol) hydrogels and hybrids for rMPB70 protein adsorption. Materials Research. 9 (2), 185-191 (2006).
- Thanyacharoen, T., Chuysinuan, P., Techasakul, S., Nooeaid, P., Ummartyotin, S. Development of a gallic acid-loaded chitosan and polyvinyl alcohol hydrogel composite: Release characteristics and antioxidant activity. International Journal of Biological Macromolecules. 107, 363-370 (2018).
- Lozinsky, V. I., et al. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest. Trends in Biotechnology. 21 (10), 445-451 (2003).
- Liu, Y., Vrana, N. E., Cahill, P. A., McGuinness, G. B. Physically crosslinked composite hydrogels of PVA with natural macromolecules: Structure, mechanical properties, and endothelial cell compatibility. Journal of Biomedical Materials Research – Part B Applied Biomaterials. 90 (2), 492-502 (2009).
- Yang, W., et al. Polyvinyl alcohol/chitosan hydrogels with enhanced antioxidant and antibacterial properties induced by lignin nanoparticles. Carbohydrate Polymers. 181 (August 2017), 275-284 (2018).
- Park, H., Kim, D. Swelling and mechanical properties of glycol chitosan/poly(vinyl alcohol) IPN-type superporous hydrogels. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 78 (4), 662-667 (2006).
- Zhang, H., Zhang, F., Wu, J. Physically crosslinked hydrogels from polysaccharides prepared by freeze-thaw technique. Reactive and Functional Polymers. 73 (7), 923-928 (2013).
- Hassan, C. M., Peppas, N. A. Structure and Applications of Poly ( vinyl alcohol ) Hydrogels Produced by Conventional Crosslinking or by Freezing / Thawing Methods. Advances in Polymer Science. 153, 37-65 (2000).
- Sung, J. H., et al. Gel characterisation and in vivo evaluation of minocycline-loaded wound dressing with enhanced wound healing using polyvinyl alcohol and chitosan. International Journal of Pharmaceutics. 392 (1-2), 232-240 (2010).
- Lin, C. C., Metters, A. T. Hydrogels in controlled release formulations: Network design and mathematical modeling. Advanced Drug Delivery Reviews. 58 (12-13), 1379-1408 (2006).
- Fan, L., Yang, H., Yang, J., Peng, M., Hu, J. Preparation and characterization of chitosan/gelatin/PVA hydrogel for wound dressings. Carbohydrate Polymers. 146, 427-434 (2016).
- Islam, A., et al. Evaluation of selected properties of biocompatible chitosan / poly ( vinyl alcohol) blends. International Journal of Biological Macromolecules. 82, 551-556 (2016).
- Physical Montaser, A. S. mechanical and antimicrobial evaluations of physically crosslinked PVA/chitosan hydrogels containing nanoparticles. Journal of Applied Pharmaceutical Science. 6 (5), 1-6 (2016).
- Hou, Y., Chen, C., Liu, K., Tu, Y., Zhang, L., Li, Y. Preparation of PVA hydrogel with high-transparence and investigations of its transparent mechanism. RSC Advances. 5 (31), 24023-24030 (2015).
