שיטת הקפאת-הפכנף כדי להכין Chitosan-פולי (ויניל אלכוהול) ללא מקשר בין סוכנים ומחקרים שחרור Diflunisal
Summary
שיטת ההקפאה משמשת להפקת הידרוג’לים chitosan-פולי (ויניל אלכוהול) ללא סוכנים מקושרים. עבור שיטה זו, חשוב לשקול את תנאי ההקפאה (טמפרטורה, מספר מחזורים) ויחס פולימרי, אשר יכול להשפיע על המאפיינים והיישומים של הידרוג’לים שהתקבלו.
Abstract
Chitosan-פולי (אלכוהול ויניל) יכול להיות מיוצר על ידי שיטה להקפיא הקפאת מבלי להשתמש בסוכני החוצה רעילים המקשרים. היישומים של מערכות אלה מוגבלים על ידי המאפיינים שלהם (כגון, הגמישות, יכולת הנפיחות, העמסת הסמים ויכולת שחרור הסמים), אשר תלויים בתנאי ההקפאה ובסוג וביחס של פולימרים. פרוטוקול זה מתאר כיצד להכין הידרוג מ chitosan ו פולי (אלכוהול ויניל) ב 50/50 w/w% של הרכב פולימרי ושונות את טמפרטורת ההקפאה (-4 ° c,-20 ° c,-80 ° c) ו להקפיא מחזורי ההקפאה (4, 5, 6 מחזורי הקפאה). מחשב הידרוגרפי, מיקרוגרף של SEM ו-FT, התקבלו. כמו כן, קיבולת הנפיחות והטעינה וההפצה של הסמים והשחרור של diflunisal העריכו. תוצאות מיקרוגרפים מתוך SEM ומראים שגודל הנקבוביות פוחת, בעוד העליות גדלות בטמפרטורות נמוכות יותר. אחוז הנפיחות היה גבוה יותר בטמפרטורת ההקפאה הקטנה. ההפצה של diflunisal מן ההידרולים נחקרה. כל הרשתות לשמור על שחרור התרופה עבור 30 h והוא כבר נצפתה כי מנגנון דיפוזיה פשוטה מווסת את השחרור diflunisal על פי המודלים של קורסמיייר-Peppas ו הידגוצ’י.
Introduction
לאחרונה, הידרוג’לים משכו עניין רב בתחום ביו-רפואי משום שהם רשתות תלת ממדיות עם תכולת מים גבוהה והם רכים וגמישים, כך שהם יכולים לחקות רקמות טבעיות בקלות1. כמו כן, הם אינם מתמוססים במדיום מימית בטמפרטורה פיסיולוגית ו-pH אך מציגים נפיחות גדולה2. הידרולים יכולים לשמש כהנדסת רקמות פיגומים, מוצרי היגיינה, עדשות מגע, ותחבושות הפצע; כי הם יכולים ללכוד ולשחרר תרכובות פעילות ותרופות, הם משמשים כמערכות משלוח הסמים3. בהתאם ליישומם, ניתן ליצור הידרוג’לים מפולימרים טבעיים או סינתטיים, או שילוב של שניהם, על מנת להשיג את המאפיינים הטובים ביותר4.
המאפיינים של הידרוג’לים הם תוצאה של גורמים פיזיים וכימיים רבים. במישור הפיזי, המבנה שלהם מורפולוגיה תלוי הפורנות שלהם, גודל נקבובית והפצת נקבובית5. ברמה הכימית והמולקולרית, הסוג הפולימרי, התוכן של קבוצת ההידרופיפילית בשרשרת הפולימר, סוג נקודת הקישור החוצה, וצפיפות הקישור החוצה הם הגורמים הקובעים את קיבולת הנפיחות ואת התכונות המכאניות6,7.
בהתאם לסוג הסוכן המקשר ששימש ליצירת הרשת, ההידרוג מסווגים כהידרוג’לים כימיים או הידרוג’לים פיזיים. הידרוג’לים כימיים מחוברים באמצעות אינטראקציות מקושרות בין הרשתות שלהם, אשר נוצרות באמצעות קרינת UV ו גמא או באמצעות סוכן מעבר קישור7,8. הידרו-ג’ל כימי בדרך כלל חזקים ועמידים אבל, בדרך כלל, הסוכן crosslinking מקשר רעיל לתאים ההסרה שלה קשה, כך יישום שלה מוגבל. מצד שני, הידרו-ג’ל פיזי היוצר על-ידי החיבור של רשתות הפולימר באמצעות אינטראקציות לא-קוולנטי, הימנעות מהשימוש בסוכנים מרובי קישורים4,9. האינטראקציות המרכזיות שאינן מקודקות ברשת הן אינטראקציות הידרופוביות, כוחות אלקטרוסטטית, גבולות משלימים ומימן7.
פולי (ויניל אלכוהול) (pva, איור 1א) הוא פולימר סינתטי ומסיסים במים עם ביצועים מכניים מעולה ביולוגי שיכול מ crosslink סוכן-הידרוטים חינם באמצעות שיטה הקפאה-להפשיר10,11. פולימר זה יש את היכולת ליצור אזורים מרוכזים של איגרות חוב מימן בין-OH קבוצות של שרשראות שלהם (אזורים גבישי) כאשר הם מקפיאים12. אלה אזורים גבישי לפעול כנקודות המקשר ברשת, והם מקודמים על ידי שני אירועים: התקרבות של שרשראות פולימר כאשר מי הקריסטל מתרחב ואת PVA שינויים השינויים מתוך איזוטקטיקה כדי synדיוטקטיק PVA במהלך הקפאת13. בגלל הקפאת הייבוש, גבישי המים הם סובלימציה, השארת חללים ריקים כי הם נקבוביות ההידרוג’ל14. כדי להשיג הידרוג’לים עם תכונות טובות יותר, PVA יכול להיות בשילוב בקלות עם פולימרים אחרים.
במובן זה, chitosan מהווה אופציה כפי שהוא ביופולימרים היחיד ממקורות טבעיים עם חיובים חיוביים. הוא מתקבל על ידי הדרחון של כיטין והוא מורכב מצירופים אקראיים של β-1, 4 מקושרים D-גלוקוסמילין (deacetylated unit) ו-N-מרחקסיל-D-גלוקוסמיטין (acetylated unit)15,16 (איור 1ב). Chitosan הוא מתכלה על ידי אנזימים אנושיים וזה ביולוגי תואם. כמו כן, על ידי הטבע המלא שלה, זה יכול לתקשר עם המטען השלילי של משטח התא, ומאפיין זה היה קשור לפעילות מיקרוביאלית שלה17. פולימר זה קל לתהליך; עם זאת, תכונות מכניות שלהם אינם מספיקים וחומרים מסוימים נוספו מתחמי טופס עם מאפיינים טובים יותר.
בהתחשב מאפיינים ספציפיים של chitosan ו-pva, ייצור מוצלח של הידרוג כבר הגיע על ידי ההקפאה הקפאת שיטה2,18 כדי למנוע את השימוש של סוכנים מרובי הקישור רעילים. ב-chitosan-PVA הידרוג, האזורים הגבישי של PVA הם גם הקימו, ו chitosan שרשראות הם שחדרו ויוצרים קשרים מימן פשוט עם-NH2 קבוצות ו-OH קבוצות ב pva. Chitosan-PVA האחרון הידרוג’ל הוא יציב מכנית, עם שיעור גבוה של נפיחות ורעילות נמוכה, עם אפקט אנטיבקטריאלי18. עם זאת, בהתאם לתנאי ההקפאה המשמשים בהכנה (טמפרטורה, זמן ומספר מחזורים), המאפיינים הסופיים עשויים להשתנות. מחקרים מסוימים מדווחים כי הגדלת מספר מחזורי ההקפאה מפחיתה את רמת הנפיחות ומגדילה את כוח מתיחה19,20. כדי לחזק את הרשת, סוכנים אחרים כגון קרינת גמא וקרינה UV שימשו בנוסף לאחר ההכנה הקפאת ההקפאה21,22,23. הידרוג’לים עם פרופורציה chitosan גבוהה יותר יש רשת נקבובי יותר קיבולת נפיחות גבוהה אבל פחות כוח ויציבות תרמית. בהקשר זה, חשוב לשקול את תנאי ההכנה כדי לקבל הידרוג’לים מתאימים עבור יישום היעד שלהם.
מטרת העבודה הזאת היא להציג בפרוטרוט כיצד תנאי ההקפאה (טמפרטורת ההקפאה ומספר המחזורים) משפיעים על המאפיינים הסופיים של הידרו-מדעי הפועל-PVA. מאפיינים מורפולוגיים וכושר הנפיחות הוערכו לשימוש בספקטרום של FT-IR, ויכולת העמסה ושחרור של סמים. בלימודי השחרור, diflunisal (איור 1ג) שימש כתרופה למודל, בשל גודלו המתאים למבנה ההידרוג’ל.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת ההקפאה היא תהליך מתאים להכנת הידרו-ג’לים ביולוגיים המתמקדים ביישומים ביו-רפואיים, פרמצבטיקה או קוסמטיקה34,35,36. היתרון החשוב ביותר של שיטה זו, לעומת שיטות ידועות אחרות כדי להכין הידרוג’לים, הוא כי השימוש החיצוני הסוכן הקישור הוא נמנע, א…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים לג לוצאגה על התמיכה במידות הפורבמטריה. מחברים גם תודות Ministerio דה אקונוניה התחרות אבא של ספרד לתמיכה כספית (פרויקט MAT2014-59116-C2-2-R) ו PIUNA (ref. 2018-15). המחברים גם רוצה להכיר ד ר אמיר אלדונאדו מתוך מתחת לבית המלון לתמיכה והערות מועיל ד ר SE Burruel-Ibarra מ DIPM-אוניסון עבור תמונות SEM ו-Rubio פרמה y Asociados S. A. de C. עבור תמיכה כספית. לי מרטיז-ברברוסה מעוניין להודות לקונצ (מקסיקו) פרויקטים מס ‘ 104931 ו-No 256753, מלבד התמיכה הפיננסית של Red Temtica דה Nanociencias y Nanotecloía del קונמה דה Redes מטטיאס דל CONACyT. . וגם פרויקט USO316001081 MD פיגרואה-פיאנו מעוניין להכיר בconacyt לקבלת תמיכה כספית (מלגה 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 |
References
- 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).
