Eine Freeze-Tauungsmethode zur Vorbereitung von Chitosan-Poly(Vinylalkohol) Hydrogelen ohne Vernetzungsmittel und Diflunisal Release Studies

Summary

Die Gefrier-Auftaumethode wird verwendet, um Chitosan-Poly(Vinylalkohol) Hydrogele ohne Vernetzungsmittel herzustellen. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Gefrierbedingungen (Temperatur, Anzahl der Zyklen) und das Polymerverhältnis zu berücksichtigen, die die Eigenschaften und Anwendungen der erhaltenen Hydrogele beeinflussen können.

Abstract

Chitosan-Poly(Vinylalkohol)-Hydrogele können nach dem Gefrier-Auftauverfahren ohne Verwendung toxischer Vernetzungsmittel hergestellt werden. Die Anwendung dieser Systeme ist begrenzt durch ihre Eigenschaften (z. B. Porosität, Flexibilität, Quellkapazität, Lade- und Freisetzungskapazität von Arzneimitteln), die von den Gefrierbedingungen sowie der Art und dem Verhältnis von Polymeren abhängen. Dieses Protokoll beschreibt, wie Hydrogele aus Chitosan und Poly (Vinylalkohol) bei 50/50 w/w % polymerer Zusammensetzung zubereitet werden und die Gefriertemperatur (-4 °C, -20 °C, -80 °C) und Gefrierzyklen (4, 5, 6 Gefrierzyklen) variieren. ES wurden FT-IR-Spektren, SEM-Mikrographen und Porosimetriedaten von Hydrogelen gewonnen. Auch die Quellkapazität und die Belastung von Medikamenten und die Freisetzung von Diflunisal wurden bewertet. Die Ergebnisse von SEM-Mikrographen und Porosimetrie zeigen, dass die Porengröße abnimmt, während die Porosität bei niedrigeren Temperaturen zunimmt. Der Quellprozentsatz war bei der geringen Gefriertemperatur höher. Die Freisetzung von Diflunisal aus den Hydrogelen wurde untersucht. Alle Netzwerke halten die Wirkstofffreisetzung für 30 h aufrecht und es wurde beobachtet, dass ein einfacher Diffusionsmechanismus die diflunisale Freisetzung nach Korsmeyer-Peppas- und Higuchi-Modellen reguliert.

Introduction

In letzter Zeit haben Hydrogele großes Interesse im biomedizinischen Bereich geweckt, weil sie dreidimensionale Netzwerke mit hohem Wassergehalt sind und weich und flexibel sind, so dass sie natürliches Gewebe leicht imitieren können¹. Auch lösen sie sich nicht in wässrigem Medium bei physiologischer Temperatur und pH-Wert auf, sondern stellen eine große Schwellung²dar. Hydrogele können als Gewebebaugerüste, Hygieneprodukte, Kontaktlinsen und Wundverbände fungieren; da sie Wirkstoffe und Medikamente fangen und freisetzen können, werden sie als Arzneimittelabgabesysteme verwendet³. Je nach Anwendung können Hydrogele aus natürlichen oder synthetischen Polymeren oder einer Kombination aus beidem hergestellt werden, um die besten Eigenschaften zu erhalten⁴.

Die Eigenschaften von Hydrogelen sind eine Folge vieler physikalischer und chemischer Faktoren. Auf der physikalischen Ebene hängen ihre Struktur und Morphologie von ihrer Porosität, Porengröße und Porenverteilung^{ab 5}. Auf chemischer und molekularer Ebene sind der Polymertyp, der hydrophile Gruppengehalt in der Polymerkette, der Vernetzungspunkttyp und die Vernetzungsdichte die Faktoren, die die Quellkapazität und die mechanischen Eigenschaften bestimmen^6,7.

Je nach Art des Vernetzungsmittels, das zur Bildung des Netzes verwendet wird, werden die Hydrogele als chemische Hydrogele oder physikalische Hydrogele klassifiziert. Chemische Hydrogele werden durch kovalente Wechselwirkungen zwischen ihren Ketten verbunden, die durch UV- und Gammabestrahlung oder mit einem Vernetzungsmittel gebildet werden^7,8. Chemische Hydrogele sind in der Regel stark und widerstandsfähig, aber im Allgemeinen ist das Vernetzungsmittel toxisch für die Zellen und seine Entfernung ist schwierig, so dass seine Anwendung begrenzt ist. Andererseits bilden sich physikalische Hydrogele durch die Verbindung der Polymerketten durch nicht-kovalente Wechselwirkungen, wodurch die Verwendung von Vernetzungsmitteln^4,9vermieden wird. Die wichtigsten nicht-kovalenten Wechselwirkungen im Netzwerk sind hydrophobe Wechselwirkungen, elektrostatische Kräfte, Komplementär- und Wasserstoffgrenzen⁷.

Poly(Vinylalkohol) (PVA, Abbildung 1a) ist ein synthetisches und wasserlösliches Polymer mit hervorragender mechanischer Leistungsfähigkeit und Biokompatibilität, das von vernetzungsmittelfreien Hydrogelen über das Gefrier-Auftauverfahren^10,11. Dieses Polymer hat die Fähigkeit, konzentrierte Zonen von Wasserstoffbindungen zwischen -OH-Gruppen ihrer Ketten (kristalline Zonen) zu bilden, wenn sie¹²einfrieren. Diese kristallinen Zonen fungieren als Vernetzungspunkte im Netzwerk und werden durch zwei Ereignisse gefördert: das Nähern der Polymerketten, wenn sich das Kristallwasser ausdehnt, und die PVA-Konformationsänderungen von isotaktischer zu syndiotaktischer PVA während des Einfrierens¹³. Durch die Gefriertrocknung werden die Wasserkristalle sublimiert, so dass Hohlräume, die die Poren im Hydrogel¹⁴sind. Um Hydrogele mit besseren Eigenschaften zu erhalten, kann PVA einfach mit anderen Polymeren kombiniert werden.

In diesem Sinne stellt Chitosan eine Option dar, da es das einzige Biopolymer aus natürlichen Quellen mit positiven Ladungen ist. Es wird durch die Deacetylierung von Chitin erhalten und es besteht aus zufälligen Kombinationen von -1,4 verknüpften D-Glucosamin (deacetylated Unit) und N-Acetyl-D-Glucosamin (acetylierte Einheit)^15,16 (Abbildung 1b). Chitosan ist durch menschliche Enzyme biologisch abbaubar und biokompatibel. Auch durch seine kationische Natur, kann es mit der negativen Ladung der Zelloberfläche interagieren, und diese Eigenschaft wurde mit seiner antimikrobiellen Aktivität¹⁷verbunden. Dieses Polymer ist einfach zu verarbeiten; ihre mechanischen Eigenschaften reichen jedoch nicht aus und einige Materialien wurden zu Komplexen mit besseren Eigenschaften hinzugefügt.

Unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften von Chitosan und PVA wurde die erfolgreiche Herstellung von Hydrogelen durch das Gefrierauftauverfahren^2,18 erreicht, um den Einsatz toxischer Vernetzungsmittel zu vermeiden. In Chitosan-PVA-Hydrogelen werden auch die kristallinen Zonen von PVA gebildet, und Chitosanketten werden durchdrungen und bilden einfache Wasserstoffbindungen mit -NH₂ Gruppen und -OH-Gruppen in PVA. Das endgültige Chitosan-PVA-Hydrogel ist mechanisch stabil, mit hohen Schwellungsraten und geringer Toxizität, und mit antibakterieller Wirkung¹⁸. Abhängig von den in der Zubereitung verwendeten Gefrierbedingungen (Temperatur, Zeit und Anzahl der Zyklen) können sich die endgültigen Eigenschaften jedoch ändern. Einige Studien berichten, dass die Erhöhung der Anzahl der Gefrierzyklen verringert den Schwellungsgrad und erhöht die Zugfestigkeit^19,20. Zur Stärkung des Netzwerks wurden nach der gefriertauten Zubereitung^21,22,23zusätzlich weitere Wirkstoffe wie Gamma- und UV-Strahlung sowie chemische Vernetzer eingesetzt. Hydrogele mit einem höheren Chitosan-Anteil haben ein poröseres Netzwerk und eine hohe Quellkapazität, aber weniger Festigkeit und thermische Stabilität. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Vorbereitungsbedingungen zu berücksichtigen, um geeignete Hydrogele für ihre Zielanwendung zu erhalten.

Der Zweck dieser Arbeit ist es, im Detail zu zeigen, wie sich die Gefrierbedingungen (Temperatur des Gefrierens und Anzahl der Zyklen) auf die endgültigen Eigenschaften von CS-PVA-Hydrogelen auswirken. FT-IR-Spektren, morphologische und porosity Eigenschaften und Schwellungsfähigkeit wurden bewertet, sowie Drogen be- und Freisetzungskapazität. In den Freisetzungsstudien wurde diflunisal (Abbildung 1c) aufgrund seiner Größe, die für die Hydrogelstruktur geeignet ist, als Modellmedikament verwendet.

Protocol

1. Herstellung von Chitosan-PVA-Hydrogelen Bereiten Sie 2% (w/w) Chitosan und 10% (w/w) PVA-Lösungen vor. 0,2 g Chitosan in 10 ml 0,1 M CH3COOH-Lösung (zuvor gefiltert) bei Raumtemperatur auflösen und über Nacht kontinuierlich mechanisches Rühren aufrecht erhalten. 1 g PVA in 10 ml destilliertem Wasser auflösen und bei 80 °C 1 h rühren. Mischen Sie beide Lösungen 1:1 mit einem magnetischen Rührer, bis sie bei Raumtemperatur homogen sind, und gießen Sie die Mischungen auf Petri-Ge…

Representative Results

Hydrogele-PräparationChitosan-PVA-Hydrogele wurden bei -4 °C, -20 °C und -80 °C mit 4 Gefrierzyklen und bei -80 °C mit 5 und 6 Gefrierzyklen nach der zuvor gemeldeten Gefrier-Auftaumethode2gewonnen. Alle Hydrogele waren homogen, halbtransparent, flexibel und manipulationsbeständig. FT-IR-CharakterisierungDie FT-IR-Spektren sind in Abbild…

Discussion

Die Gefrier-Auftaumethode ist ein geeignetes Verfahren zur Herstellung biokompatibler Hydrogele, die sich auf biomedizinische, pharmazeutische oder kosmetische Anwendungen konzentrieren^34,35,36. Der wichtigste Vorteil dieser Methode, im Vergleich zu anderen bekannten Methoden zur Herstellung von Hydrogelen, ist, dass die Verwendung von Vernetzungsmitteln vermieden wird, was eine Entzündungsreaktion oder nebenwirkungende Wirkung…

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