En frys-upptining metod för att förbereda Chitosan-poly (vinyl alkohol) hydrogels utan crosslinking agenter och diflunisal release studier

Summary

Frysning-upptining metoden används för att producera Chitosan-poly (vinyl alkohol) hydrogeler utan crosslinking agenter. För denna metod är det viktigt att beakta frys förhållandena (temperatur, antal cykler) och polymerförhållande, vilket kan påverka egenskaperna och tillämpningarna hos de erhållna hydrogelerna.

Abstract

Chitosan-poly (vinyl alkohol) hydrogeler kan framställas genom frysning-upptining metod utan att använda giftiga tvärbindningsmedel. Applikationerna av dessa system begränsas av deras kännetecken (e.g., porositet, böjlighet, bulnadkapacitet, drog laddning och drog frigör kapacitet), som beror på frysnings förhållandena och sorten och förhållandet av polymerer. Detta protokoll beskriver hur man förbereder hydrogeler från Chitosan och poly (vinylalkohol) vid 50/50 w/w% av polymersammansättningen och varierande frystemperatur (-4 ° c,-20 ° c,-80 ° c) och frys-upptining cykler (4, 5, 6 frysnings cykler). FT-IR Spectra, SEM Mikrograf och porosimetridata av hydrogeler erhölls. Också, svullnad kapacitet och drog lastning och frisättning av mefenaminsyra bedömdes. Resultat från SEM-mikrografer och porosimetri visar att porstorleken minskar, samtidigt som portionositeten ökar vid lägre temperaturer. Svullnaden procent var högre vid den mindre Frystemperaturen. Frisättning av mefenaminsyra från hydrogeler har studerats. Alla nätverk upprätthåller drogen release för 30 h och det har observerats att en enkel diffusion mekanism reglerar mefenaminsyra release enligt korsmeyer-Peppas och Higuchi modeller.

Introduction

Nyligen har hydrogeler väckt stort intresse för det biomedicinska området eftersom de är tredimensionella nätverk med högvatten halt och är mjuka och flexibla, så att de kan efterlikna naturliga vävnader lätt¹. Också, de löses inte upp i vattenhaltigt medium vid fysiologisk temperatur och pH men uppvisar en stor svullnad². Hydrogels kan fungera som vävnadstekniska ställningar, hygienprodukter, kontaktlinser och sårförband; eftersom de kan fälla och släppa aktiva föreningar och droger, de används som läkemedel leveranssystem³. Beroende på deras tillämpning, hydrogeler kan göras från naturliga eller syntetiska polymerer, eller en kombination av båda, för att få de bästa egenskaperna⁴.

Hydrogeler egenskaper är en följd av många fysikaliska och kemiska faktorer. På den fysiska nivån, deras struktur och morfologi beror på deras porositet, por storlek och pore distribution⁵. På kemisk och molekylär nivå, polymertyp, hydrofila gruppen innehållet i polymerkedjan, tvär bindnings punkt typ, och tvärbindningstäthet är de faktorer som avgör svullnad kapacitet och de mekaniska egenskaperna^6,7.

Enligt den typ av tvärbindningsmedel som används för att bilda nätet, är hydrogeler klassificeras som kemiska hydrogeler eller fysiska hydrogeler. Kemiska hydrogeler förenas av kovalenta interaktioner mellan deras kedjor, som bildas genom UV-och Gammabestrålning eller med hjälp av en crosslinking agent^7,8. Kemiska hydrogeler är vanligtvis starka och resistenta, men i allmänhet är crosslinking agent giftigt för cellerna och dess avlägsnande är svårt, så dess tillämpning är begränsad. Å andra sidan, fysiska hydrogeler bildas genom anslutning av polymeren kedjor genom icke-kovalenta interaktioner, undvika användning av tvärbindningsmedel^4,9. De viktigaste icke-kovalenta interaktioner i nätverket är hydrofoba interaktioner, elektrostatiska krafter, kompletterande och väte gränser⁷.

Poly (vinyl Alcohol) (PVA, figur 1a) är en syntetisk och vattenlöslig polymer med utmärkt mekanisk prestanda och biokompatibilitet som kan från Crosslink agent-fria hydrogeler genom frys-upptining metod^10,11. Denna polymer har kapaciteten att bilda koncentrerat zonplanerar av Väteförbindelser mellan-OH-grupper av deras kedjar (crystalline zonplanerar), när de fryser¹². Dessa kristallina zoner fungerar som crosslinking punkter i nätverket, och de främjas av två händelser: närmar sig polymerkedjorna när kristallvattnet expanderar och PVA överensstämmande förändringar från isotactic till syndiotaktisk PVA under frys¹³. På grund av frystorkning, är vattenkristaller sublimeras, lämnar tomrum utrymmen som är porerna i hydrogel¹⁴. För att få hydrogeler med bättre egenskaper kan PVA enkelt kombineras med andra polymerer.

I den meningen utgör Chitosan ett alternativ eftersom det är den enda Biopolymeren från naturliga källor med positiva laddningar. Det erhålls genom deacetylering av chitinen och det består av slumpmässiga kombinationer av β-1,4 länkade d-glukosamin (deacetylerad enhet) och N-acetyl-D-glukosamin (Acetylerad enhet)^15,16 (figur 1b). Chitosan är biologiskt nedbrytbart av humana enzymer och det är biokompatibelt. Också, genom sin katjoniska natur, det kan interagera med den negativa laddningen av cellytan, och denna egenskap har förknippats med dess antimikrobiella aktivitet¹⁷. Denna polymer är lätt att bearbeta; men deras mekaniska egenskaper är inte tillräckliga och vissa material har tillsatts för att bilda komplex med bättre egenskaper.

Med hänsyn till särdragen hos Chitosan och PVA har den framgångsrika tillverkningen av hydrogeler uppnåtts genom frys upptinnings metoden^2,18 för att undvika användning av giftiga tvärbindningsmedel. I Chitosan-PVA hydrogels, de kristallina zonerna av PVA bildas också, och Chitosan kedjor är trängt igenom och bildar enkla vätebindningar med-NH₂ grupper och-OH grupper i PVA. Den sista Chitosan-PVA hydrogel är mekaniskt stabil, med hög svullnad och låg toxicitet, och med antibakteriell effekt¹⁸. Beroende på de frys förhållanden som används vid beredningen (temperatur, tid och antal cykler) kan dock de slutgiltiga egenskaperna ändras. Vissa studier rapporterar att öka antalet frysnings cykler minskar svullnad grad och ökar draghållfasthet^19,20. För att stärka nätverket, andra agenter såsom gamma och UV-strålning och kemiska bindare har använts dessutom efter frysning-tinade beredning^21,22,23. Hydrogels med en högre Chitosan andel har en mer porösa nätverk och hög svullnad kapacitet men mindre styrka och termisk stabilitet. I detta sammanhang är det viktigt att överväga förberedelse villkoren för att få lämpliga hydrogeler för sin mål tillämpning.

Syftet med detta arbete är att i detalj presentera Hur frys förhållandena (frystemperatur och antal cykler) påverkar de slutliga egenskaperna hos CS-PVA-hydrogels. FT-IR-spektra, morfologiska och porositet egenskaper och svullnad kapacitet utvärderades, liksom drog lastning och frisättning kapacitet. I release studierna, mefenaminsyra (figur 1c) användes som modell drog, på grund av dess storlek lämpar sig för hydrogel struktur.

Protocol

1. beredning av kitosan-PVA-hydrogeler Förbered 2% (w/w) Chitosan och 10% (w/w) PVA lösningar. Lös 0,2 g Chitosan i 10 mL 0,1 M CH3COOH-lösning (tidigare filtrerad) vid rumstemperatur och upprätthåll kontinuerlig mekanisk omrörning över natten. Lös 1 g PVA i 10 mL destillerat vatten och rör vid 80 ° c i 1 h. Blanda båda lösningarna 1:1 med hjälp av en magnetisk omrörare tills de är homogena vid rumstemperatur, och häll blandningar på petriskålar. Lämna proverna för 2 h …

Representative Results

Hydrogels beredningHydrogeler av Chitosan-PVA erhölls vid-4 ° c,-20 ° c och-80 ° c med 4 frysnings cykler och vid-80 ° c med 5 och 6 frysnings cykler med den tidigare rapporterade frys upptinnings metoden2. Alla hydrogeler var homogena, semi-transparenta, flexibla och resistenta mot manipulation. FT-IR karaktäriseringFT-IR-spektrat visas i <strong class="xfi…

Discussion

Frys-upptinning metoden är en lämplig process för att förbereda biokompatibla hydrogeler fokuserade på biomedicinska, farmaceutiska eller kosmetiska tillämpningar^34,35,36. Den viktigaste fördelen med denna metod, jämfört med andra välkända metoder för att förbereda hydrogels, är att crosslinking agent användning undviks, vilket kan orsaka en inflammatorisk reaktion eller negativa effekter i den mänskliga kroppen<…

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