Een Bevriezings methode voor het bereiden van Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels zonder dwars verbindingsmiddelen en Diflunisale vrijgave studies
Summary
De vriesontdooi methode wordt gebruikt voor de productie van Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels zonder dwars verbindingsmiddelen. Voor deze methode is het belangrijk om de Vries condities (temperatuur, aantal cycli) en polymeer verhouding te overwegen, wat de eigenschappen en toepassingen van de verkregen hydrogels kan beïnvloeden.
Abstract
Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels kunnen worden geproduceerd door middel van de Freeze-Thawing-methode zonder gebruik te maken van giftige crosslinking-agenten. De toepassingen van deze systemen worden beperkt door hun kenmerken (bijv. porositeit, flexibiliteit, zwelling capaciteit, drugs belasting en geneesmiddelafgifte capaciteit), die afhangen van de Vries condities en de aard en verhouding van polymeren. Dit protocol beschrijft hoe u hydrogels van Chitosan en poly (vinyl alcohol) bereiden op 50/50 w/w% van de polymeer samenstelling en de vriestemperatuur variëren (-4 °C,-20 °C,-80 °C) en vries dooi cycli (4, 5, 6 Vries cycli). FT-IR spectra, SEM Microscoop en porosimetrie gegevens van hydrogels werden verkregen. Ook werden de zwelling capaciteit en drug laden en vrijlating van bifenylstructuur beoordeeld. Resultaten van SEM micro Foto’s en porosimetrie tonen aan dat de poriëngrootte afneemt, terwijl de porositeit toeneemt bij lagere temperaturen. Het zwelling percentage was hoger bij de kleine vriestemperatuur. De afgifte van bifenylstructuur uit de hydrogels is bestudeerd. Alle netwerken handhaven de drug vrijlating voor 30 h en geconstateerd is dat een eenvoudige diffusie mechanisme regelt de bifenylstructuur vrijlating volgens korsmeyer-peppas en Higuchi modellen.
Introduction
Onlangs hebben hydrogels veel interesse in het biomedische gebied, omdat het driedimensionale netwerken zijn met een hoog watergehalte en zacht en flexibel zijn, zodat ze natuurlijke weefsels gemakkelijk kunnen nabootsen1. Ook, ze niet oplossen in waterige medium op fysiologische temperatuur en pH maar presenteren een grote zwelling2. Hydrogels kunnen fungeren als tissue engineering steigers, hygiëne producten, contactlenzen en wondverbanden; omdat ze kunnen vangen en vrijgeven van actieve verbindingen en drugs, ze worden gebruikt als drug delivery Systems3. Afhankelijk van hun toepassing kunnen hydrogels worden gemaakt van natuurlijke of synthetische polymeren, of een combinatie van beide, om de beste eigenschappen te verkrijgen4.
De eigenschappen van hydrogels zijn een gevolg van vele fysische en chemische factoren. Op fysiek niveau zijn hun structuur en morfologie afhankelijk van hun porositeit, poriegrootte en porie verdeling5. Op chemisch en moleculair niveau zijn het polymeer type, de hydrofiele groepsinhoud in de polymeer keten, het kruiskoppelings punt type en de kruislings verbindende dichtheid de factoren die de zwelling capaciteit en de mechanische eigenschappen6,7bepalen.
Volgens het type crosslinking-middel dat wordt gebruikt om het netwerk te vormen, worden de hydrogels geclassificeerd als chemische hydrogels of fysische hydrogels. Chemische hydrogels worden samengevoegd met covalente interacties tussen hun ketens, die worden gevormd door UV-en gamma-bestraling of met behulp van een crosslinking-agent7,8. Chemische hydrogels zijn meestal sterk en resistent, maar in het algemeen is de crosslinking-agent giftig voor de cellen en de verwijdering ervan is moeilijk, dus de toepassing ervan is beperkt. Aan de andere kant vormen fysische hydrogels door de aansluiting van de polymeerketens door niet-covalente interacties, waarbij het gebruik van crosslinking-agenten4,9wordt vermeden. De belangrijkste niet-covalente interacties in het netwerk zijn hydrofobe interacties, elektrostatische krachten, complementaire en waterstof grenzen7.
Poly (vinyl alcohol) (PVA, Figuur 1a) is een synthetisch en in water oplosbaar polymeer met uitstekende mechanische prestaties en biocompatibiliteit die kunnen worden van cross link agent-Free hydrogels door middel van de Freeze-Thawing methode10,11. Dit polymeer heeft de capaciteit om geconcentreerde zones van waterstofbindingen te vormen tussen-OH-groepen van hun ketens (kristallijne zones) wanneer ze12bevriezen. Deze kristallijne zones fungeren als crosslinking-punten in het netwerk en worden gepromoot door twee gebeurtenissen: het naderen van de polymeerketens wanneer het kristalwater zich uitbreidt en de PVA-conformationele veranderingen van isotactiek naar syndiotactische PVA tijdens Freeze13. Door het vriesdrogen worden de waterkristallen gesublimeerd, waardoor er leegte ruimten zijn die de poriën in de hydrogel14zijn. Om hydrogels met betere eigenschappen te verkrijgen, kan PVA gemakkelijk worden gecombineerd met andere polymeren.
In die zin vormt Chitosan een optie omdat het het enige biopolymeer is van natuurlijke bronnen met positieve ladingen. Het wordt verkregen door de deacetylering van chitine en het bestaat uit willekeurige combinaties van β-1, 4 gekoppelde D-glucosamine (deacetylated Unit) en N-acetyl-D-glucosaminehoudende (geacetoneerde eenheid)15,16 (Figuur 1b). Chitosan is biologisch afbreekbaar door menselijke enzymen en het is biologisch compatibel. Ook, door zijn kationische aard, het kan communiceren met de negatieve lading van het celoppervlak, en deze eigenschap is geassocieerd met zijn antimicrobiële activiteit17. Dit polymeer is eenvoudig te verwerken; echter, hun mechanische eigenschappen zijn niet voldoende en sommige materialen zijn toegevoegd aan het vormen van complexen met betere kenmerken.
Gezien de specifieke kenmerken van Chitosan en PVA, is de succesvolle vervaardiging van hydrogels bereikt met de Vries-ontdooiing methode2,18 om het gebruik van toxische crosslinking-agenten te voorkomen. In Chitosan-PVA-hydrogels worden de kristallijne zones van PVA ook gevormd, en Chitosan ketens worden doorgedrongen en vormen eenvoudige waterstofbindingen met-NH2 groepen en-Oh groepen in PVA. De laatste Chitosan-PVA hydrogel is mechanisch stabiel, met hoge frequenties van zwelling en lage toxiciteit, en met antibacteriële werking18. Afhankelijk van de Vries condities die in het preparaat worden gebruikt (temperatuur, tijd en aantal cycli), kunnen de uiteindelijke eigenschappen echter veranderen. Sommige studies melden dat het verhogen van het aantal bevriezings cycli vermindert de zwelling graad en verhoogt de treksterkte19,20. Om het netwerk te versterken, zijn andere middelen, zoals gamma-en UV-straling en chemische reologie, aanvullend gebruikt na de Vries ontdooide voorbereiding21,22,23. Hydrogels met een hogere Chitosan verhouding hebben een meer poreus netwerk en een hoge zwelling capaciteit, maar minder sterkte en thermische stabiliteit. In deze context is het belangrijk om de bereidings voorwaarden te overwegen om geschikte hydrogels te verkrijgen voor hun doeltoepassing.
Het doel van dit werk is om gedetailleerd te presenteren hoe de Vries condities (temperatuur van bevriezing en aantal cycli) van invloed zijn op de uiteindelijke kenmerken van CS-PVA-hydrogels. FT-IR spectra, morfologische en porositeit eigenschappen en zwelling capaciteit werden geëvalueerd, evenals drug loading en release capaciteit. In de release studies werd bifenylstructuur (Figuur 1c) gebruikt als model medicijn, vanwege de grootte die geschikt is voor de hydrogel structuur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De Freeze-Thawing-methode is een geschikt proces om biocompatibele hydrogels te bereiden die zich concentreren op biomedische, farmaceutische of cosmetische toepassingen34,35,36. Het belangrijkste voordeel van deze methode, in vergelijking met andere bekende methoden om hydrogels voor te bereiden, is dat crosslinking-agent gebruik wordt vermeden, wat een ontstekingsreactie of nadelige effecten in het menselijk lichaam kan veroor…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Auteurs zijn C. Luzuriaga dankbaar voor de ondersteuning in de porosimetrie metingen. Auteurs ook dank aan Ministerio de Economía y Competitividad van Spanje voor financiële ondersteuning (project MAT2014-59116-C2-2-R) en PIUNA (Ref. 2018-15). De auteurs willen ook Dr. Amir Maldonado van Departamento de física-UNISON erkennen voor ondersteuning en nuttige commentaren en Dr. SE Burruel-Ibarra van DIPM-UNISON voor SEM images en Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. voor financiële ondersteuning. ME Martínez-Barbosa wil CONACyT (México) projecten No. 104931 en No. 256753 bedanken, naast de financiële steun van Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de redes Temáticas del CONACyT. En ook project USO316001081. MD Figueroa-Pizano wil CONACyT graag erkennen voor financiële steun (studiebeurs 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 |
Referências
- 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).
