Entwicklung und Charakterisierung von Fusidinsäure-beladenen Alginat-Aloe Vera-basierten Hydrogelfilmen

Fusidinsäure ist ein starkes steroidales Antibiotikum, das aus Fusidium coccineum gewonnen wird. Es wird häufig zur Behandlung von Staphylokokken-Hautinfektionen und Impetigo eingesetzt. Dieses Medikament hat eine hohe Wirksamkeit, auch gegen antibiotikaresistente Stämme, und eine geringe Toxizität, was es zu einer geeigneten Option für die Behandlung von Hautinfektionen macht¹. Im Gegensatz zu anderen topischen Antibiotika dringt Fusidinsäure tief in die Haut ein und verstärkt ihre antimikrobielle Wirkung, insbesondere in Bereichen, in denen die Schutzbarriere der Haut geschädigt ist. Seine Struktur ermöglicht vielseitige Löslichkeitseigenschaften und ermöglicht eine weit verbreitete Verteilung im Körpergewebe, was in seiner Natriumfusidatform für eine bessere Wasserlöslichkeit und Penetrationsraten weiter verbessert wird ^2,3. Fusidinsäure kann auf verschiedene Arten verabreicht werden, einschließlich oral, intravenös und topisch, was sich an unterschiedliche Behandlungsbedürfnisse anpasst und sie zu einer flexiblen Wahl für verschiedene Infektionen macht⁴.

Hydrogele haben sich mit ihrem hohen Wassergehalt und ihrer Biokompatibilität als innovative Träger für Antibiotika in der Wundbehandlung erwiesen, da sie eine Feuchtigkeitsspeicherung, eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung und verbesserte Patientenergebnisse bieten. Sie werden aus natürlichen oder synthetischen Polymeren wie Alginat hergestellt, das aufgrund seiner starken Biokompatibilität, Erschwinglichkeit und Gelierungseigenschaften, die extrazelluläre Matrizen von natürlichem Gewebe nachahmen, bevorzugt^{wird 5}. Insbesondere Hydrogele auf Alginatbasis bieten ein feuchtes Milieu, das die Wundheilung fördert, kleben nicht an der Wunde an und lassen sich leicht entfernen, was sie ideal für die Abgabe bioaktiver Substanzen und die Unterstützung der Geweberegeneration macht. Die Entwicklung von Hydrogelen, die Antibiotika verkapseln, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Wundversorgung dar und gewährleistet eine gezielte Wirkstoffabgabe und nachhaltige therapeutische Effekte ^6,7.

Das vorgeschlagene mit Fusidinsäure beladene Alginat/Aloe Vera-Hydrogel zielt darauf ab, die Löslichkeitsprobleme von Fusidinsäure zu überwinden und ihre dermale Penetration zu verbessern. Aloe Vera, bekannt für ihre hautfreundlichen, feuchtigkeitsspendenden und antibakteriellen Eigenschaften, dient auch als chemischer Penetrationsverstärker, der möglicherweise die Wirksamkeit von Fusidinsäure bei der Behandlung von Hautinfektionen verbessert ^8,9. Diese innovative Formulierung nutzt die synergistischen Effekte von Aloe Vera und Alginat-Hydrogel, um ein förderliches Heilungsmilieu zu schaffen, die Wirkstoffabgabe zu optimieren und eine vielversprechende Lösung für eine verbesserte Behandlung von Hautinfektionen zu bieten, indem sie die starke antimikrobielle Wirkung der Fusidinsäure optimal nutzt und die Abgabe und Heilung verbessert¹⁰.

Die Einzelheiten zu den in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Herstellung von Fusidinsäure-Hydrogelfilmen

1. Bereiten Sie Lösungen von Natriumalginat (2,0 % w/v) und Aloe Vera (1,0 % w/v) vor, indem Sie sie in destilliertem Wasser auflösen.
2. Geben Sie 200 mg Fusidinsäure in die Natriumalginatlösung und rühren Sie 1 h lang.
3. Geben Sie Glycerin in Konzentrationen von 10 %, 12 % und 14 % (w/w, bezogen auf die Alginatmasse) zur Alginatlösung.
4. Kombinieren Sie die Alginat- und Aloe Vera-Lösungen, um ein endgültiges Alginat/Aloe-Vera-Verhältnis (v/v) von 100:0, 90:10, 80:20 und 75:25 zu erreichen.
5. 25 ml jeder Mischung in Petrischalen aus Glas (100 mm x 20 mm) gießen und 2 Tage lang bei Raumtemperatur (25 °C) und kontrollierter Luftfeuchtigkeit (50 %) trocknen lassen.
6. Tauchen Sie die getrockneten Filme 5 Minuten lang in eine wässrige Lösung aus Calciumchlorid (CaCl₂) (5,0 % w/v), um die Hydrogelfilme zu erhalten.
7. Waschen Sie die entstandenen Filme mit destilliertem Wasser und trocknen Sie sie vor Gebrauch bei Raumtemperatur.

2. Bestimmung der Foliendicke

1. Verwenden Sie ein digitales Mikrometer, um die Dicke der Folie^{zu messen 11}.
2. Nehmen Sie Messungen an fünf verschiedenen Punkten auf der Folie vor.
3. Notieren Sie die Messungen, die Sie von jedem Punkt aus erhalten haben.
4. Berechnen Sie die durchschnittliche Foliendicke basierend auf den durchgeführten Messungen.

3. Bestimmung des Quellindex

1. Schneiden Sie die Filmproben mit einem Labormesser in 2 cm x 2 cm große Quadrate.
2. Wiegen Sie jede Probe genau.
3. Die Proben werden 24 Stunden lang in PBS-Puffer (pH 6,8) bei Raumtemperatur eingeweicht.
4. Nehmen Sie überschüssiges Wasser auf der Folienoberfläche mit Filterpapier auf.
5. Wiegen Sie die Proben erneut.
6. Wiegen Sie die Filme in unterschiedlichen Zeitabständen. Berechnen Sie die Quellkapazität mit der folgenden Gleichung:
   
   HINWEIS: Wh steht für das hydratisierte Gewicht der Probe und Wd entspricht dem Trockengewicht der Probe.

4. Prüfung der Wasserdampfdurchlässigkeit oder des Okklusionstests

1. Die Öffnung eines Glasbechers mit 50 ml Wasser ist mit Filterpapier^{abzudecken 11}.
2. Tragen Sie eine Filmbildungslösung auf eines der Papiere auf und lassen Sie es einen Film bilden.
3. Lagern Sie das Becherglas bei Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit.
4. Beurteilen Sie die Wasserdurchlässigkeit der Folie anhand der Abnahme des Wassergewichts im Becherglas.
5. Um die Bewertung der Wasserdampfdurchlässigkeit für den vorbereiteten Hydrogelfilm zu bestimmen, verwenden Sie die folgende Formel:
   
   HINWEIS: Der Okklusivitätsfaktor F misst die Durchlässigkeit eines Films. Sie wird durch Berechnung der Differenz des Wassergewichts zwischen einem mit Filterpapier bedeckten Glasbecherglas ohne Folie und einem Glasbecherglas, das mit Filterpapier bedeckt ist, das mit der Folie beschichtet ist, bestimmt. Ein kleinerer Wert des Okklusivitätsfaktors weist auf eine höhere Durchlässigkeit des Films hin.

5. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)

1. Legen Sie die Hydrogelprobe auf den ATR-Kristall des FTIR-Spektroskopiegeräts.
2. Stellen Sie den Wellenzahlbereich auf 4000-400 ^cm-1 ein.
3. Stellen Sie die Scanrate auf 60 Scans pro Probe ein.
4. Stellen Sie die Auflösung auf 4 ^cm-1 ein.
5. Nehmen Sie vor jedem Probenlauf einen Lufthintergrund auf.
6. Führen Sie die Analyse für jede Hydrogelprobe einzeln durch.
7. Analysieren Sie die FTIR-Spektren für jede Hydrogelprobe, um funktionelle Gruppen zu bestätigen und Wechselwirkungen zwischen allen Komponenten^{zu untersuchen 12}.
8. Wiederholen Sie die Analyse für rohe Aloe Vera, Natriumalginat, Glycerin und Fusidinsäure separat.

6. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

1. Verwenden Sie ein handelsübliches thermisches Analysegerät, um thermische Profile zu erfassen.
2. Stellen Sie die Messproben aus mehreren kreisförmigen Stücken her, die aus der Polymerfolie geschnitten wurden.
3. Untersuchen Sie den Temperaturbereich von 25-230 °C.
4. Stellen Sie die Heiz-/Kühlrate auf 20 °C/min ein.
5. Führen Sie die Temperatur- und Enthalpiekalibrierung mit Standard-Indium mit kompatibler Software durch.

7. Test auf Drogenfreisetzung

1. Bereiten Sie eine Lösung von 50 mL PBS (pH = 7,4) als Auflösungsmedium vor.
2. Tauchen Sie die Hydrogelfilme 24 Stunden lang bei 37 °C in PBS ein und rühren Sie dabei mit einer Geschwindigkeit von 50 U/min.
3. Sammeln Sie in festgelegten Abständen 2 mL der Proben.
4. Verdünnen und filtrieren Sie die gesammelten Proben durch einen Spritzenfilter.
5. Füllen Sie umgehend ein entsprechendes Volumen an PBS auf.
6. Beurteilen Sie die Konzentrationen der freigesetzten Fusidinsäure mit einem UV-Spektralphotometer und messen Sie die Absorption bei 285 nm.
7. Bewerten Sie die Freisetzungskinetik von Fusidinsäure unter Verwendung von Modellen nullter Ordnung, erster Ordnung, Higuchi und Korsmeyer-Peppas⁴.

Herstellung eines Alginat/Aloe Vera Hydrogel-Films
Zur Herstellung der Formulierung des Hydrogelfilms wurden unterschiedliche Verhältnisse von Natriumalginat, Aloe Vera und Glycerin verwendet. Die abschließende Vorbereitung und Bewertung der Rezepturen erfolgte nur mit 10% Glycerin (w/w Alginat). Abbildung 1 zeigt den Hydrogelfilm mit unterschiedlichen Aloe Vera Anteilen. Diese Auswahl wurde getroffen, weil andere Glycerinverhältnisse nicht die notwendige Haftfähigkeit und Flexibilität boten, was zu falsch gebildeten Filmen führte. Die starke Haftung und Elastizität der Filme war auf das Vorhandensein von Natriumalginat und Glycerin zurückzuführen. Die Zugabe von Aloe Vera veränderte das Aussehen nicht, beeinflusste jedoch die Viskosität der Lösungen während der Zubereitung.

Dicke
Die Mächtigkeitsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Kontrollprobe A, die nur Alginat enthielt, hatte eine Dicke von 0,11 mm. Mit zunehmendem Anteil an Aloe Vera in den Proben B und C nahm die Schichtdicke zu und maß 0,13 mm bzw. 0,12 mm. Probe D, die den höchsten Anteil an Aloe Vera aufwies, hatte jedoch mit 0,09 mm den dünnsten Film. Basierend auf diesen Ergebnissen scheint es, dass die Zugabe von Aloe Vera bis zu einem gewissen Grad einen Einfluss auf die Schichtdicke haben kann.

Quellindex
Die Bewertung der Fähigkeit von Hydrogelen, verschiedene Flüssigkeiten zu absorbieren, ist ein Schlüsselaspekt dieser Forschung. Der Fokus liegt auf dem Verständnis der Fähigkeit von Polymeren, unter verschiedenen Bedingungen zu quellen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, zeigen die Quellindexergebnisse im Laufe der Zeit den Einfluss unterschiedlicher Aloe Vera-Konzentrationen auf die Wasseraufnahmekapazität von Alginat-basierten Filmen. Die Folie mit 0% Aloe Vera (A) wies nach 24 h den geringsten Quellindex auf (364,8%). Im Gegensatz dazu zeigten Proben mit steigendem Aloe Vera-Gehalt zunehmend höhere Quellindizes, wobei die 25:75-Folie (D) mit etwa 549 % den höchsten Wert erreichte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die hydrophilen Eigenschaften der Aloe Vera eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung des Quellverhaltens der Filme spielen. Abbildung 3 zeigt den Hydrogelfilm vor und nach der Schwellung.

Wasserdampfdurchlässigkeits- oder Okklusionstest
Die Wasserdampfdurchlässigkeit der Folien wurde durch den Vergleich der Wassermenge in einem Becherglas mit und ohne Folien bewertet. Nach den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen zeigte die Kontrollprobe ohne Aloe Vera keinen Okklusionseffekt, während die anderen Proben einen Anstieg des Okklusivitätsfaktors bei Zugabe von Aloe Vera aufwiesen. Probe B hatte einen Okklusivitätsfaktor von 13,2, während die Proben C und D den höchsten Okklusivitätsfaktor von 20 aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von Aloe Vera dazu beitrug, die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVP) der Alginatfilme zu verringern.

Strukturanalyse durch FTIR
Abbildung 4 zeigt die FTIR-Spektren von Hydrogelformulierungen, die Fusidinsäure enthalten, zusammen mit den Spektren von Rohstoffen, einschließlich Natriumalginat, Aloe Vera, Glycerin und Fusidinsäure. Die Spektren der Hydrogelformulierung zeigen eine breite Absorptionsbande um 3200-3400 cm-1 und eine Bande bei etwa 1636 cm-1, die der Dehnung der O-H-Gruppen, die Natriumalginat, Aloe Vera und Glycerin zugeschrieben wird, sowie der asymmetrischen Dehnungsschwingung von Alginat-COO-Gruppen entsprechen13. Darüber hinaus spiegelt der Absorptionspeak bei etwa 1330-1340 cm-1 die Biegeschwingung der C-H-Gruppe wider, während der Peak bei 1171 cm-1 mit der C-O-Dehnungsschwingung von Natriumalginat zusammenhängt.

Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wurde verwendet, um das thermische Verhalten von Natriumalginat, Aloe Vera, reiner Fusidinsäure und arzneimittelbeladenem Hydrogelfilm zu analysieren. Das Thermogramm von Natriumalginat zeigte einen endothermen Peak bei etwa 132 °C (wie in Abbildung 5 dargestellt). Auf der anderen Seite zeigte das Aloe Vera-Thermogramm mehrere Spitzen an. Die DSC-Analyse von reiner Fusidinsäure zeigte einen scharfen und gut definierten endothermen Peak bei 184,5 °C. Für den wirkstoffbeladenen Hydrogelfilm wurde nur ein breiter Peak zwischen 103 °C und 170 °C nachgewiesen, bei dem keine Schmelzpeaks für die Komponenten oder das Medikament vorhanden waren.

Freisetzung von Medikamenten
Die in vitro Wirkstofffreisetzung wurde für alle Proben über 24 h mit PBS-Lösung bei pH 7,4 untersucht. Die Filmproben zeigten eine allmähliche Freisetzung des Medikaments, wahrscheinlich aufgrund der kompakten Hydrogelstruktur. Die Proben, die Aloe Vera enthielten, zeigten eine Fusidinsäurefreisetzung von 89,7 % bis 93 % innerhalb von 12 Stunden, während der Kontrollfilm ohne Aloe Vera alle Arzneimittel nach 12 Stunden freisetzte, wie in Abbildung 6 gezeigt. Für die Fusidinsäure wurden verschiedene freisetzungskinetische Modelle evaluiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Ergebnisse der Wirkstofffreisetzung wurden am besten mit dem Freisetzungsmodell nullter Ordnung angepasst, das die höchstenR2-Werte aufwies.

Abbildung 1: Physikalisches Erscheinungsbild von Fusidinsäure-beladenen Hydrogelfilmen. Fotografien von mit Fusidinsäure beladenen Alginat/Aloe Vera Hydrogel-Filmen in verschiedenen Verhältnissen: (A) 100:0, (B) 90:10, (C) 80:20 und (D) 75:25, aufgenommen unter 4-facher Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Quellindex von Hydrogelfilmen. Der prozentuale Quellindex von mit Fusidinsäure beladenen Alginat/Aloe Vera-Hydrogelfilmen in verschiedenen Verhältnissen: (A) 100:0, (B) 90:10, (C) 80:20 und (D) 75:25. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung (SD) dar, n = 3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Hydrogelfilm vor und nach der Schwellung. Vergleich eines Hydrogelfilms (A) vor und (B) nach der Quellung, der die Veränderungen des Aussehens aufgrund des Quellprozesses veranschaulicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: FTIR-Spektrumanalyse. FTIR-Spektren verschiedener Komponenten und Formulierungen: (A) Fusidinsäure, (B) Natriumalginat, (C) Aloe Vera, (D) Glycerin, (E) Formulierung 100:0, (F) Formulierung 90:10, (G) Formulierung 80:20 und (H) Formulierung 75:25. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: DSC-Thermogramm von Hydrogelformulierungen. Thermogramme der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) der Hydrogelformulierung, Fusidinsäure, Alginat und Aloe Vera, die thermische Eigenschaften und Übergänge zeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Kumulative Wirkstofffreisetzung aus Hydrogelfilmen. Kumulative Wirkstofffreisetzung aus Fusidinsäure-beladenen Alginat/Aloe Vera-Hydrogelfilmen in verschiedenen Verhältnissen: (A) 100:0, (B) 90:10, (C) 80:20 und (D) 75:25. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung (SD) mit n = 3 dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Dicke der Hydrogelfilmformulierungen. Messungen der Dicke verschiedener Alginat/Aloe Vera Hydrogel-Filmformulierungen mit n = 3.

Tabelle 2: Verringerung des Wasservolumens und des Okklusivitätsfaktors. Daten zur Verringerung des Wasservolumens (mL) und des Okklusivitätsfaktors der Alginat/Aloe Vera Hydrogel-Filmformulierungen, mit n = 3. *p≤ 0,005.

Tabelle 3: Freisetzungskinetik von Fusidinsäure. Korrelationskoeffizienten und Freisetzungskinetiken von Fusidinsäure aus den Hydrogelformulierungen, die die in der Analyse verwendeten mathematischen Modelle veranschaulichen.

Die Autoren haben nichts offenzulegen.