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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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: | |||
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 |