En fryse-optøning metode til at forberede chitosan-poly (vinyl alkohol) Hydrogels uden crosslinking agenter og diflunisal frigivelse undersøgelser

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 egenskaber^6,7.

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 agent^7,8. 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 agenter^4,9. 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 metode^10,11. 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 metode^2,18 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 trækstyrke^19,20. For at styrke nettet, andre agenter såsom gamma og UV-stråling og kemiske crosslinkers er blevet anvendt yderligere efter fryse optøet præparat^21,22,23. 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.

Protocol

1. klargøring af chitosan-PVA silicagelrogeler Forbered 2% (w/w) chitosan og 10% (w/w) PVA-opløsninger. 0,2 g chitosan opløses i 10 mL 0,1 M LM3COOH opløsning (tidligere filtreret) ved stuetemperatur og opretholder kontinuerlig mekanisk omrøring natten over. 1 g PVA opløses i 10 mL destilleret vand og omrøres ved 80 °C i 1 time. Bland begge opløsninger 1:1 ved hjælp af en magnetisk omrører, indtil de er homogene ved stuetemperatur, og hæld blandingerne på Petri skåle. Lad prø…

Representative Results

Forberedelse af hydrogelsChitosan-PVA silicagelrogeler blev opnået ved-4 °c,-20 °c og-80 °c med 4 fryse cyklusser og ved-80 °c med 5 og 6 fryse cyklusser ved den tidligere rapporterede fryse optønings metode2. Alle silicagelrogeler var homogene, halvgennemsigtige, fleksible og modstandsdygtige over for manipulation. FT-IR-karakteriseringFT-IR-spektrene er vi…

Discussion

Fryse optønings metoden er en egnet proces til tilberedning af biokompatible silicagelrogeler med fokus på biomedicinske, farmaceutiske eller kosmetiske anvendelser^34,35,36. 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…

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