Fryse-optøning metode bruges til at producere chitosan-poly (vinyl alkohol) silicagelrogeler uden binding agenter. For denne metode, er det vigtigt at overveje frysning betingelser (temperatur, antal cyklusser) og polymer ratio, som kan påvirke egenskaberne og anvendelser af de opnåede hydrogels.
Chitosan-poly (vinyl alkohol) silicagelrogeler kan produceres ved fryse-optøning metode uden brug af giftige binding agenter. Applikationerne fra disse systemer er begrænset af deres karakteristika (f. eks. porøsitet, fleksibilitet, opsvulmende kapacitet, narkotika belastning og frigivelse af narkotika), som afhænger af fryse forholdene og polymerens art og forhold. Denne protokol beskriver, hvordan man forbereder silicagelrogeler fra chitosan og poly (vinyl alkohol) ved 50/50 w/w% af polymer sammensætningen og Varier frysetemperaturen (-4 °c,-20 °c,-80 °c) og fryse optønings cyklusser (4, 5, 6 fryse cyklusser). FT-IR Spectra, SEM Mikrograf og porosimetry data af silicagelrogeler blev opnået. Også, hævelse kapacitet og Drug lastning og frigivelse af mefenaminsyre blev vurderet. Resultater fra SEM mikrografer og porosimetri viser, at porestørrelse falder, mens porøsitet stiger ved lavere temperaturer. Den hævede procentdel var højere ved den mindre fryse temperatur. Frigivelsen af mefenaminsyre fra silicagelrogeler er blevet undersøgt. Alle netværk opretholde narkotika frigivelse for 30 h og det er blevet observeret, at en simpel diffusions mekanisme regulerer mefenaminsyre frigivelse i henhold til korsmeyer-peppas og Higuchi modeller.
For nylig har silicagelrogeler tiltrukket stor interesse i biomedicinsk område, fordi de er tredimensionale netværk med højt vandindhold og er bløde og fleksible, så de kan efterligne naturlige væv let1. Også, de ikke opløses i vandig medium ved fysiologisk temperatur og pH, men frembyder en stor hævelse2. Hydrogels kan fungere som vævs ingeniør stilladser, hygiejneprodukter, kontaktlinser og sårdressinger; fordi de kan fælde og frigive aktive stoffer og lægemidler, de anvendes som narkotika levering systemer3. Afhængigt af deres anvendelse, silicagelrogeler kan fremstilles af naturlige eller syntetiske polymerer, eller en kombination af begge, for at opnå de bedste egenskaber4.
Egenskaberne af silicagelrogeler er en konsekvens af mange fysiske og kemiske faktorer. På det fysiske niveau afhænger deres struktur og morfologi af deres porøsitet, porestørrelse og pore fordeling5. På det kemiske og molekylære niveau, polymer typen, den hydrofile gruppeindhold i polymer kæden, binding punkttype, og Cross-Linking tæthed er de faktorer, der bestemmer hævelsen kapacitet og de mekaniske egenskaber6,7.
Ifølge den type binding agent bruges til at danne nettet, silicagelrogeler er klassificeret som kemiske silicagelrogeler eller fysiske silicagelrogeler. Kemiske silicagelrogeler er forbundet med kovalente interaktioner mellem deres kæder, som dannes gennem UV og gammabestråling eller ved hjælp af en binding agent7,8. Kemiske silicagelrogeler normalt er stærke og resistente, men generelt, den binding agent er giftigt for cellerne og dens fjernelse er vanskelig, så dens anvendelse er begrænset. På den anden side, fysiske silicagelrogeler form ved tilslutning af polymer kæder gennem ikke-kovalente interaktioner, undgå brug af binding agenter4,9. De vigtigste ikke-kovalente interaktioner i netværket er hydrofobe interaktioner, elektrostatiske kræfter, komplementære og brint grænser7.
Poly (vinyl alkohol) (PVA, figur 1a) er en syntetisk og vandopløselig polymer med fremragende mekanisk ydeevne og biokompatibilitet, der kan fra link agent-fri silicagelrogeler gennem fryse-optøning metode10,11. Denne polymer har kapacitet til at danne koncentrerede zoner af brint obligationer mellem-OH grupper af deres kæder (krystallinske zoner), når de fryser12. Disse krystallinske zoner fungerer som tværbindende punkter i netværket, og de fremmes af to begivenheder: nærmer af polymer kæder, når krystal vandet udvider og PVA konformationelle ændringer fra isotaktik til syndiotaktisk PVA under fryse13. På grund af frysetørring, vand krystaller er sublimeret, forlader tomrum rum, der er porerne i hydrogel14. For at opnå silicagelrogeler med bedre egenskaber, PVA kan let kombineres med andre polymerer.
I den forstand, chitosan udgør en mulighed, da det er den eneste biopolymer fra naturlige kilder med positive afgifter. Det er fremstillet ved deacetylering af chitin og det består af tilfældige kombinationer af β-1, 4 forbundet D-glucosamin (deacetyleret enhed) og N-acetyl-D-glucosamin (acetyleret enhed)15,16 (figur 1b). Chitosan er biologisk nedbrydeligt af humane enzymer, og det er biokompatibelt. Også, ved sin kationiske karakter, det kan interagere med den negative ladning af cellens overflade, og denne egenskab har været forbundet med sin antimikrobielle aktivitet17. Denne polymer er let at bearbejde; Men, deres mekaniske egenskaber er ikke tilstrækkelige, og nogle materialer er blevet tilføjet til at danne komplekser med bedre egenskaber.
I betragtning af de særlige karakteristika ved chitosan og PVA er den vellykkede fremstilling af silicagelrogeler nået ved fryse optønings metode2,18 for at undgå brug af giftige binding-agenter. I chitosan-PVA hydrogels dannes de krystallinske zoner PVA også, og chitosan kæder er interpenetrerede og danner simple hydrogenbindinger med-NH2 grupper og-Oh grupper i PVA. Den endelige chitosan-PVA hydrogel er mekanisk stabil, med høje rater af hævelse og lav toksicitet, og med antibakteriel virkning18. Afhængigt af de fryse betingelser, der anvendes i præparatet (temperatur, tid og antal cyklusser), kan de endelige egenskaber dog ændre sig. Nogle undersøgelser rapporterer, at øge antallet af fryse cyklusser nedsætter hævelse grad og øger trækstyrke19,20. For at styrke nettet, andre agenter såsom gamma og UV-stråling og kemiske crosslinkers er blevet anvendt yderligere efter fryse optøet præparat21,22,23. Hydrogels med en højere chitosan andel har en mere porøs netværk og høj hævelse kapacitet, men mindre styrke og termisk stabilitet. I denne sammenhæng er det vigtigt at overveje tilberednings betingelserne for at opnå passende silicagelrogeler til deres målapplikation.
Formålet med dette arbejde er at fremlægge en detaljeret beskrivelse af, hvordan fryse forholdene (fryse temperatur og antal cyklusser) påvirker de endelige egenskaber ved CS-PVA-hydrogels. FT-IR spektre, morfologiske og porøsitet egenskaber og hævelse kapacitet blev evalueret, samt narkotika lastning og frigivelse kapacitet. I Release studierne, mefenaminsyre (figur 1c) blev anvendt som model stof, på grund af sin størrelse egnet til hydrogel struktur.
Fryse optønings metoden er en egnet proces til tilberedning af biokompatible silicagelrogeler med fokus på biomedicinske, farmaceutiske eller kosmetiske anvendelser34,35,36. Den vigtigste fordel ved denne metode, sammenlignet med andre velkendte metoder til at forberede hydrogels, er, at binding agent brug undgås, hvilket kan forårsage en inflammatorisk respons eller negative virkninger i den menneskelige krop<sup class="xre…
The authors have nothing to disclose.
Forfattere er taknemmelige for C. Luzuriaga for støtte i porosimetry målinger. Forfatterne takker også Ministerio de Economía y Competitividad fra Spanien for finansiel støtte (projekt MAT2014-59116-C2-2-R) og PIUNA (Ref. 2018-15). Forfatterne vil også gerne anerkende Dr. Amir Maldonado fra Departamento de Física-UNISON for at støtte og nyttige kommentarer og Dr. SE Burruel-Ibarra fra DIPM-UNISON for SEM images og Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. for økonomisk støtte. ME Martínez-Barbosa vil gerne takke CONACyT (México) Projects No. 104931 og No. 256753, foruden den økonomiske støtte fra Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de redes Temáticas del CONACyT. Og, også projekt USO316001081. MD Figueroa-Pizano vil gerne anerkende CONACyT for finansiel støtte (stipendium 373321).
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 |