Un metodo di congelamento-thawing per preparare idrogel chitosan-Poly (alcool vinile) senza agenti cross-linking e studi di rilascio diflunisali
Summary
Il metodo di congelamento-scongelamento viene utilizzato per produrre idrogel chitosan-polio(alcool vinile) senza agenti intertrainanti. Per questo metodo, è importante considerare le condizioni di congelamento (temperatura, numero di cicli) e il rapporto polimerico, che possono influenzare le proprietà e le applicazioni degli idrogel ottenuti.
Abstract
Gli idrogel chitosan-polio(alcool vitile) possono essere prodotti con il metodo del congelamento-scongelamento senza l’uso di agenti antisciverba tossici. Le applicazioni di questi sistemi sono limitate dalle loro caratteristiche (ad esempio, porosità, flessibilità, capacità di gonfiore, carico di droga e capacità di rilascio di droga), che dipendono dalle condizioni di congelamento e dal tipo e dal rapporto dei polimeri. Questo protocollo descrive come preparare gli idrogel dal chitosan e dal polinoma alcool al 50/50 w/w % della composizione dei polimeri e a variare la temperatura di congelamento (-4 gradi centigradi, -20 gradi centigradi, -80 gradi centigradi) e cicli di congelamento (4, 5, 6 cicli di congelamento). Sono stati ottenuti dati di spettro FT-IR, micrografia SEM e porosimetria di idrogel. Inoltre, sono stati valutati la capacità di gonfiore e il carico di droga e il rilascio di diflunisal. I risultati delle micrografie SEM e della porosimetria mostrano che la dimensione dei pori diminuisce, mentre la porosità aumenta a temperature più basse. La percentuale di gonfiore era più alta alla temperatura di congelamento minore. È stato studiato il rilascio di diflunisal dagli idrogel. Tutte le reti mantengono il rilascio di droga per 30 h ed è stato osservato che un semplice meccanismo di diffusione regola il rilascio diflunisal secondo i modelli Korsmeyer-Peppas e Higuchi.
Introduction
Recentemente, gli idrogel hanno attirato grande interesse nel campo biomedico perché sono reti tridimensionali ad alto contenuto di acqua e sono morbidi e flessibili, in modo da poter imitare facilmente i tessuti naturali1. Inoltre, non si dissolvono in mezzo acquoso a temperatura fisiologica e pH, ma presentano un grande gonfiore2. Gli idrogel possono agire come scaffold di ingegneria tissutale, prodotti per l’igiene, lenti a contatto e medicazioni per ferite; perché possono intrappolare e rilasciare composti attivi e farmaci, sono utilizzati come sistemi di somministrazione di farmaci3. A seconda della loro applicazione, gli idrogel possono essere fatti da polimeri naturali o sintetici, o una combinazione di entrambi, al fine di ottenere le migliori caratteristiche4.
Le proprietà degli idrogel sono una conseguenza di molti fattori fisici e chimici. A livello fisico, la loro struttura e morfologia dipendono dalla loro porosità, dimensione dei pori e distribuzione deipori 5. A livello chimico e molecolare, il tipo di polimero, il contenuto di gruppo idrofilo nella catena polimerica, il tipo di punto di intercollegamento e la densità di collegamento incrociato sono i fattori che determinano la capacità di gonfiore e le proprietà meccaniche6,7.
A seconda del tipo di agente di collegamento incrociato utilizzato per formare la rete, gli idrogel sono classificati come idrogel chimici o idrogel fisici. Gli idrogel chimici sono uniti da interazioni covalenti tra le loro catene, che si formano attraverso l’irradiazione UV e gamma o utilizzando un agente intercollegato7,8. Gli idrogel chimici di solito sono forti e resistenti, ma, in generale, l’agente intercollegato è tossico per le cellule e la sua rimozione è difficile, quindi la sua applicazione è limitata. D’altra parte, gli idrogel fisici si formano con la connessione delle catene polimeriche attraverso interazioni non covalenti, evitando l’uso di agenti di collegamento incrociato4,9. Le principali interazioni non covalenti nella rete sono le interazioni idrofobiche, le forze elettrostatiche, i limiti complementari e di idrogeno7.
Poly(vinyl alcohol) (PVA, Figura 1a) è un polimero sintetico e solubile in acqua con eccellenti prestazioni meccaniche e biocompatibilità che può da idrogel senza agente crosslink attraverso il metodo di congelamento-scongelamento10,11. Questo polimero ha la capacità di formare zone concentrate di legami di idrogeno tra -OH gruppi delle loro catene (zone cristalline) quando sono congelamento12. Queste zone cristalline fungono da punti di interazione nella rete, e sono promosse da due eventi: l’avvicinamento delle catene polimeriche quando l’acqua cristallina si espande e il PVA conformazionale cambia da isotattico a sinoca PVA durante il congelamento13. A causa del congelamento, i cristalli d’acqua sono sublimati, lasciando spazi vuoti che sono i pori nell’idrogel14. Per ottenere idrogel con proprietà migliori, PVA può essere facilmente combinato con altri polimeri.
In questo senso, il chitosan costituisce un’opzione in quanto è l’unico biopolimero proveniente da fonti naturali con cariche positive. Si ottiene con la deacetlazione della chitina ed è composto da combinazioni casuali di D-glucosamina collegata (unità deacetilata) e N-acetyl-D-glucosamina (unità acetilata)15,16 (Figura 1b). Chitosan è biodegradabile dagli enzimi umani ed è biocompatibile. Inoltre, per la sua natura cationica, può interagire con la carica negativa della superficie cellulare, e questa proprietà è stata associata alla sua attività antimicrobica17. Questo polimero è facile da elaborare; tuttavia, le loro proprietà meccaniche non sono sufficienti e alcuni materiali sono stati aggiunti per formare complessi con caratteristiche migliori.
Considerando caratteristiche specifiche del chitosan e del PVA, la produzione di successo di idrogel è stata raggiunta con ilmetododi congelamento2,18 per evitare l’uso di agenti antiscianti tossici. Negli idrogel chitosan-PVA si formano anche le zone cristalline di PVA, e le catene chitosane sono interpenetrate e formano semplici legami di idrogeno con -NH2 gruppi e -OH gruppi in PVA. L’idrogel chitosan-PVA finale è meccanicamente stabile, con alti tassi di gonfiore e bassa tossicità, e con effetto antibatterico18. Tuttavia, a seconda delle condizioni di congelamento utilizzate nella preparazione (temperatura, tempo e numero di cicli), le caratteristiche finali possono cambiare. Alcuni studi riferiscono che aumentando il numero di cicli di congelamento diminuisce il grado di gonfiore e aumenta la forza di tensione19,20. Al fine di rafforzare la rete, altri agenti come radiazioni gamma e UV e crosslinker chimici sono stati utilizzati in aggiunta dopo la preparazione congelata21,22,23. Gli idrogel con una proporzione chitosana più alta hanno una rete più porosa e un’elevata capacità di gonfiore, ma meno resistenza e stabilità termica. In questo contesto, è importante considerare le condizioni di preparazione per ottenere idrogel adatti per l’applicazione di destinazione.
Lo scopo di questo lavoro è quello di presentare in dettaglio come le condizioni di congelamento (temperatura di congelamento e numero di cicli) influenzano le caratteristiche finali degli idrogel CS-PVA. Sono stati valutati spettri FT-IR, caratteristiche morfologiche e porosità e capacità di gonfiore, nonché il carico di droga e la capacità di rilascio. Negli studi di rilascio, diflunisal (Figura 1c) è stato utilizzato come farmaco modello, a causa delle sue dimensioni adatte alla struttura dell’idrogel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo di congelamento è un processo adatto per preparare idrogel biocompatibili focalizzati in applicazioni biomediche, farmaceutiche o cosmetiche34,35,36. Il vantaggio più importante di questo metodo, rispetto ad altri metodi ben noti per preparare idrogel, è che l’uso di agente crosslinking è evitato, che potrebbe causare una risposta infiammatoria o effetti negativi nel corpo umano34. Questo è…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati a C. Luzuriaga per il supporto nelle misurazioni della porosimetria. Autori anche grazie al Ministro di Econom à A y Competitividad della Spagna per il sostegno finanziario (Progetto MAT2014-59116-C2-2-R) e PIUNA (rif. 2018-15). Gli autori desiderano anche riconoscere il Dr. Amir Maldonado di Departamento de Fasica-UNISON per il supporto e commenti utili e il Dr. SE Burruel-Ibarra da DIPM-UNISON per le immagini SEM e Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. per il sostegno finanziario. ME Martanez-Barbosa ringrazia i progetti n. 104931 e n. 256753, oltre al sostegno finanziario di Red Temtica de Nanociencias y Nanotecnologàa del programa de Redes Temàticas del CONACyT. E, anche il progetto USO316001081. MD Figueroa-Pizano vorrebbe riconoscere CONACyT per il sostegno finanziario (studio 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).
