JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Crosslinking Ajanlar ve Diflunisal Salınım Çalışmaları olmadan Chitosan-Poly(vinil alkol) Hydrogels hazırlamak için Bir Freeze-Eritme Yöntemi

Published: January 14, 2020
doi:
10.3791/59636
, ,
1Department of Polymers and Materials Research,University of Sonora, 2Department of Chemistry, Faculty of Sciences,University of Navarra

Summary

Donma-eritme yöntemi çapraz ajanlar olmadan chitosan-poly (vinil alkol) hidrojeller üretmek için kullanılır. Bu yöntem için, elde edilen hidrojellerin özelliklerini ve uygulamalarını etkileyebilecek donma koşulları (sıcaklık, çevrim sayısı) ve polimer oranı göz önünde bulundurulması önemlidir.

Abstract

Chitosan-poly (vinil alkol) hidrojelleri toksik crosslinking ajanlar kullanmadan donma-eritme yöntemi ile üretilebilir. Bu sistemlerin uygulamaları, donma koşullarına ve polimerlerin türüne ve oranına bağlı olarak özellikleriyle (örn. gözeneklilik, esneklik, şişme kapasitesi, ilaç yükleme ve ilaç bırakma kapasitesi) sınırlıdır. Bu protokol, polimer bileşiminin %50/50 w/w’si ile chitosan ve poli(vinil alkol) hidrojellerin nasıl hazırlanacağını ve donma sıcaklığının (-4 °C, -20 °C, -80 °C) ve donma-erime döngülerinin (4, 5, 6 donma döngüsü) nasıl değiştirilmeye cereyonu yapılacağını açıklamaktadır. FT-IR spektrumları, SEM mikrografve hidrojellerin porosimetri verileri elde edildi. Ayrıca, şişme kapasitesi ve ilaç yükleme ve diflunisal salınımı değerlendirildi. SEM mikrograflar ve gözeneklilik sonuçları gözenek boyutunun azaldığını, gözenekliliğin ise daha düşük sıcaklıklarda arttığını göstermektedir. Küçük donma sıcaklığında şişme yüzdesi daha yüksekti. Hidrojellerden diflunisal salınımı incelenmiştir. Tüm ağlar için ilaç salınımını korumak 30 h ve basit bir difüzyon mekanizması Korsmeyer-Peppas ve Higuchi modellerine göre diflunisal salınımını düzenler gözlenmiştir.

Introduction

Son zamanlarda, hidrojeller biyomedikal alanda büyük ilgi çekti çünkü yüksek su içeriği ile üç boyutlu ağlar ve yumuşak ve esnek, bu yüzden kolayca doğal dokuları taklit edebilirsiniz1. Ayrıca, fizyolojik sıcaklık ve pH sulu ortamda çözünmez ama büyük bir şişlik mevcut2. Hydrogels doku mühendisliği iskeleler, hijyen ürünleri, kontakt lensler ve yara pansuman olarak hareket edebilir; onlar tuzak ve aktif bileşikler ve ilaçlar serbest çünkü, onlar ilaç dağıtımsistemleri3 olarak kullanılır. Onların uygulamasına bağlı olarak, hidrojeller doğal veya sentetik polimerler, ya da her ikisinin bir kombinasyonu yapılabilir, en iyi özellikleri elde etmek için4.

Hidrojellerin özellikleri birçok fiziksel ve kimyasal faktörün bir sonucudur. Fiziksel düzeyde, onların yapısı ve morfolojisi gözeneklilik bağlıdır, gözenek boyutu ve gözenek dağılımı5. Kimyasal ve moleküler düzeyde, polimer tipi, polimer zincirindeki hidrofilik grup içeriği, çapraz bağlantı noktası tipi ve çapraz bağlama yoğunluğu şişme kapasitesini ve mekanik özelliklerini belirleyen faktörlerdir6,7.

Ağı oluşturmak için kullanılan crosslinking ajan türüne göre, hidrojeller kimyasal hidrojeller veya fiziksel hidrojeller olarak sınıflandırılır. Kimyasal hidrojeller UV ve gama ışınlama yoluyla veya bir crosslinking ajankullanarakoluşturulan zincirleri arasında kovalent etkileşimler ile birleştirilir7 ,8. Kimyasal hidrojeller genellikle güçlü ve dayanıklıdır ancak genellikle çapraz bağlantı maddesi hücreler için toksiktir ve çıkarılması zordur, bu nedenle uygulaması sınırlıdır. Öte yandan, fiziksel hidrojeller non-kovalent etkileşimler yoluyla polimer zincirlerinin bağlantısı ile form, crosslinking ajanların kullanımı kaçınarak4,9. Ağdaki başlıca kovalent olmayan etkileşimler hidrofobik etkileşimler, elektrostatik kuvvetler, tamamlayıcıve hidrojen sınırları 7’dir.

Poli (vinil alkol) (PVA, Şekil 1a)mükemmel mekanik performans ve dondurulmuş erime yöntemi10ile crosslink agent-free hydrogels olabilir biyouyumluluk ile sentetik ve suda çözünür polimer 10,11. Bu polimer,12’yidondurduklarında zincirlerinin -OH grupları (kristal bölgeleri) arasında hidrojen bağlarının konsantre bölgeleri oluşturma kapasitesine sahiptir. Bu kristal bölgeleri ağda crosslinking noktaları olarak hareket, ve iki olay tarafından teşvik edilmektedir: kristal su genişler polimer zincirleriyaklaşan ve donma sırasında izotaktik gelen PVA konformasyonel değişiklikler13. Dondurularak kurutulması nedeniyle, su kristalleri süblimize edilir, hidrojel14gözenekleri olan boşluk bırakarak. Daha iyi özelliklere sahip hidrojeller elde etmek için, PVA kolayca diğer polimerler ile kombine edilebilir.

Bu anlamda, kitosan pozitif yükleri ile doğal kaynaklardan tek biyopolimer olduğu gibi bir seçenek oluşturmaktadır. Bu kitin deasetilasyonu ile elde edilir ve β-1,4 bağlantılı D-glukozamin rasgele kombinasyonları oluşur (deacetylated birim) ve N-asetil-D-glukozamin (asetil-d-glukozamin)15,16 (Şekil 1b). Chitosan insan enzimleri tarafından biyolojik olarak parçalanabilir ve biyouyumludur. Ayrıca, katyonik doğası gereği, hücre yüzeyinin negatif yükü ile etkileşime girebilirsiniz, ve bu özellik antimikrobiyal aktivitesi ile ilişkili olmuştur17. Bu polimerin işlenmesi kolaydır; ancak mekanik özellikleri yeterli değildir ve bazı malzemeler daha iyi özelliklere sahip kompleksler oluşturmak için eklenmiştir.

Chitosan ve PVA’nın belirli özellikleri göz önünde bulundurularak, toksik çapraz bağlantı ajanlarının kullanımını önlemek için2,18 nolu donma-eritmeyöntemiile hidrojellerin başarılı üretimine ulaşılmıştır. Chitosan-PVA hidrojellerinde PVA’nın kristal bölgeleri de oluşur ve kitosan zincirleri interinterintered ve PVA’da -NH2 grupları ve -OH grupları ile basit hidrojen bağları oluşturur. Son chitosan-PVA hidrojel mekanik olarak stabil, şişme ve düşük toksisite yüksek oranları ile, ve antibakteriyel etkisi ile18. Ancak, hazırlıkta kullanılan donma koşullarına (sıcaklık, zaman ve döngü sayısı) bağlı olarak, son özellikler değişebilir. Bazı çalışmalar, donma döngülerinin sayısını artırmanın şişme derecesini azalttığını ve çekme mukavemetini artırdığını bildiriyor19,20. Ağı güçlendirmek için, gama ve UV radyasyonu ve kimyasal crosslinkers gibi diğer ajanlar dondurulan hazırlık21,22,23sonra ayrıca kullanılmıştır. Daha yüksek chitosan oranına sahip hidrojeller daha gözenekli bir ağa ve yüksek şişme kapasitesine, ancak daha az mukavemet ve termal stabiliteye sahiptir. Bu bağlamda, hedef uygulama için uygun hidrojeller elde etmek için hazırlık koşulları göz önünde bulundurulmalıdır.

Bu çalışmanın amacı, donma koşullarının (donma sıcaklığı ve çevrim sayısı) CS-PVA hidrojellerinin nihai özelliklerini nasıl etkilediğini ayrıntılı olarak sunmaktır. FT-IR spektrumları, morfolojik ve gözeneklilik özellikleri ile şişme kapasitesi nin yanı sıra ilaç yükleme ve serbest bırakma kapasitesi değerlendirildi. Salınım çalışmalarında hidrojel yapısına uygun büyüklüğü nedeniyle diflunisal (Şekil 1c)model ilaç olarak kullanılmıştır.

Protocol

1. Chitosan-PVA hidrojellerinin hazırlanması %2 (w/w) chitosan ve (w/w) PVA çözeltisi hazırlayın. 0,2 g chitosan’ı 10 mL’lik 0,1 M CH3COOH çözeltisinde (önceden filtrelenmiş) oda sıcaklığında çözün ve gece boyunca sürekli mekanik karıştırmayı koruyun. 1 g PVA’yı 10 mL distile suda çözün ve 80 °C’de 1 saat karıştırın. Oda sıcaklığında homojen olana kadar manyetik karıştırıcı kullanarak her iki çözeltiyi 1:1 karıştırın ve karışımları Petr…

Representative Results

Hidrojeller hazırlamaChitosan-PVA hidrojelleri daha önce bildirilen donma-eritme yöntemi2ile -4 °C, -20 °C ve -80 °C’de 4 donma döngüsü ile ve -80 °C’de 5 ve 6 donma döngüsü ile elde edilebildi. Tüm hidrojeller homojen, yarı saydam, esnek ve manipülasyona karşı dayanıklıydı. FT-IR karakterizasyonuFT-IR spektrumları Şekil <strong class="xfig"…

Discussion

Donma-eritme yöntemi biyomedikal odaklı biyouyumlu hidrojeller hazırlamak için uygun bir süreçtir, ilaç veya kozmetik uygulamalar34,35,36. Bu yöntemin en önemli avantajı, hidrojeller hazırlamak için diğer iyi bilinen yöntemler ile karşılaştırıldığında, çapraz ajan kullanımı kaçınılmalıdır, hangi insan vücudunda inflamatuar yanıt veya yan etkilere neden olabilir34. Bu çok y…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar gözenekli ölçümlerde destek için C. Luzuriaga için müteşekkir. Yazarlar ayrıca Mali destek için İspanya Ministerio de Economía y Competitividad (Proje MAT2014-59116-C2-2-R) ve PIUNA (ref. 2018-15) sayesinde. Yazarlar ayrıca destek ve yararlı yorumlar için Departamento de Física-UNISON Dr Amir Maldonado ve DR SE Burruel-Ibarra DIPM-UNISON SEM görüntüleri ve Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. mali destek için kabul etmek istiyorum. ME Martínez-Barbosa CONACyT (México) projeleri No. 104931 ve No. 256753, Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de Redes Temáticas del CONACyT mali destek yanında teşekkür etmek istiyorum. Ve, aynı zamanda PROJE USO316001081. MD Figueroa-Pizano finansal destek (burs 373321) için CONACyT kabul etmek istiyorum.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Caló, E., Khutoryanskiy, V. V. Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products. European Polymer Journal. 65, 252-267 (2015).
  4. Ahmadi, F., Oveisi, Z., Samani, M., Amoozgar, Z. Chitosan based hydrogels: Characteristics and pharmaceutical applications. Research in Pharmaceutical Sciences. 10 (1), 1-16 (2015).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
  8. 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).
  9. Patel, A., Mequanint, K. Hydrogel Biomaterials. Biomedical Engineering – Frontiers and Challenges. , 275-296 (2012).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Hassan, C. M., Peppas, N. A. Structure and Morphology of Freeze / Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 33, 2472-2479 (2000).
  13. 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).
  14. Kumar, A., Mishra, R., Reinwald, Y., Bhat, S. Cryogels: Freezing unveiled by thawing. Materials Today. 13 (11), 42-44 (2010).
  15. Wu, T., Li, Y., Lee, D. S. Chitosan-based composite hydrogels for biomedical applications. Macromolecular Research. 25 (6), 480-488 (2017).
  16. 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).
  17. Szymańska, E., Winnicka, K. Stability of Chitosan—A Challenge for Pharmaceutical and Biomedical Applications. Marine Drugs. 13, 1819-1846 (2015).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Ritger, P. L., Peppas, N. A. A Simple Equation for Description of Solute Release. Journal of Controlled Release. 5, 37-42 (1987).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Lozinsky, V. I., et al. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest. Trends in Biotechnology. 21 (10), 445-451 (2003).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Islam, A., et al. Evaluation of selected properties of biocompatible chitosan / poly ( vinyl alcohol) blends. International Journal of Biological Macromolecules. 82, 551-556 (2016).
  43. 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).
  44. 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).

Tags

ChitosanPoly(vinyl Alcohol)HydrogelFreeze-thawingCrosslinking AgentsBiomedical ApplicationsWater TreatmentFT-IRSwelling DegreeSEM
check_url/59636?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Figueroa-Pizano, M. D., Vélaz, I., Martínez-Barbosa, M. E. A Freeze-Thawing Method to Prepare Chitosan-Poly(vinyl alcohol) Hydrogels Without Crosslinking Agents and Diflunisal Release Studies. J. Vis. Exp. (155), e59636, doi:10.3791/59636 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image