Ostatnio hydrożele cieszą się dużym zainteresowaniem w branży biomedycznej, ponieważ są to trójwymiarowe sieci o wysokiej zawartości wody, miękkie i elastyczne, dzięki czemu mogą łatwo naśladować naturalne tkanki1. Ponadto nie rozpuszczają się w środowisku wodnym w temperaturze fizjologicznej i pH, ale wykazują duże obrzęki2. Hydrożele mogą działać jako rusztowania inżynierii tkankowej, produkty higieniczne, soczewki kontaktowe i opatrunki na rany; Ponieważ mogą wychwytywać i uwalniać związki czynne i leki, są używane jako systemy dostarczania leków3. W zależności od zastosowania, hydrożele mogą być wykonane z naturalnych lub syntetycznych polimerów, lub z kombinacji obu, w celu uzyskania najlepszych właściwości4.
Właściwości hydrożeli są konsekwencją wielu czynników fizycznych i chemicznych. Na poziomie fizycznym ich struktura i morfologia zależą od ich porowatości, wielkości porów i rozkładu porów5. Na poziomie chemicznym i molekularnym typ polimeru, zawartość grupy hydrofilowej w łańcuchu polimerowym, typ punktu usieciowania i gęstość usieciowania są czynnikami decydującymi o zdolności pęcznienia i właściwościach mechanicznych6,7.
W zależności od rodzaju czynnika sieciującego użytego do utworzenia sieci, hydrożele są klasyfikowane jako hydrożele chemiczne lub hydrożele fizyczne. Hydrożele chemiczne są łączone przez oddziaływania kowalencyjne między ich łańcuchami, które powstają w wyniku napromieniowania UV i gamma lub przy użyciu środka sieciującego7,8. Hydrożele chemiczne są zwykle mocne i odporne, ale generalnie środek sieciujący jest toksyczny dla komórek, a jego usunięcie jest trudne, więc jego zastosowanie jest ograniczone. Z drugiej strony, fizyczne hydrożele powstają w wyniku połączenia łańcuchów polimerowych poprzez oddziaływania niekowalencyjne, unikając stosowania środków sieciujących4,9. Głównymi oddziaływaniami niekowalencyjnymi w sieci są oddziaływania hydrofobowe, siły elektrostatyczne, komplementarność i więzy wodorowe7.
Poli(alkohol winylowy) (PVA, Rysunek 1a) to syntetyczny i rozpuszczalny w wodzie polimer o doskonałych parametrach mechanicznych i biokompatybilności, który może od usieciowania hydrożeli wolnych od środków krzyżowych metodą zamrażania i rozmrażania10,11. Polimer ten ma zdolność do tworzenia skoncentrowanych stref wiązań wodorowych między grupami -OH ich łańcuchów (stref krystalicznych), gdy są one zamrożone12. Te krystaliczne strefy działają jako punkty sieciowania w sieci i są promowane przez dwa zdarzenia: zbliżanie się łańcuchów polimerowych, gdy krystaliczna woda rozszerza się i zmiany konformacyjne PVA z izotaktycznego na syndiotaktyczne PVA podczas zamrażania13. Ze względu na liofilizację kryształy wody są sublimowane, pozostawiając puste przestrzenie, które są porami w hydrożelu14. Aby uzyskać hydrożele o lepszych właściwościach, PVA można łatwo łączyć z innymi polimerami.
W tym sensie, chitozan stanowi opcję, ponieważ jest to jedyny biopolimer z naturalnych źródeł z dodatnimi ładunkami. Otrzymuje się go w wyniku deacetylacji chityny i składa się z losowych kombinacji połączonej z β-1,4 D-glukozaminy (jednostka deacetylowana) i N-acetylo-D-glukozaminy (jednostka acetylowana)15,16 (Rysunek 1b). Chitozan ulega biodegradacji przez ludzkie enzymy i jest biokompatybilny. Ponadto, ze względu na swoją kationową naturę, może wchodzić w interakcje z ujemnym ładunkiem powierzchni komórki, a ta właściwość została związana z jego aktywnością przeciwdrobnoustrojową17. Ten polimer jest łatwy w obróbce; Jednak ich właściwości mechaniczne nie są wystarczające i niektóre materiały zostały dodane, aby utworzyć kompleksy o lepszych właściwościach.
Biorąc pod uwagę specyficzne cechy chitozanu i PVA, udana produkcja hydrożeli została osiągnięta dzięki metodzie zamrażania i rozmrażania2,18, aby uniknąć stosowania toksycznych środków sieciujących. W hydrożelach chitozanowo-PVA powstają również strefy krystaliczne PVA, a łańcuchy chitozanu przenikają się i tworzą proste wiązania wodorowe z grupami -NH2 i grupami -OH w PVA. Końcowy hydrożel chitozanowo-PVA jest stabilny mechanicznie, o wysokim wskaźniku pęcznienia i niskiej toksyczności oraz o działaniu przeciwbakteryjnym18. Jednak w zależności od warunków zamrażania zastosowanych w preparacie (temperatura, czas i liczba cykli) końcowe cechy mogą ulec zmianie. Niektóre badania donoszą, że zwiększenie liczby cykli zamrażania zmniejsza stopień pęcznienia i zwiększa wytrzymałość na rozciąganie19,20. W celu wzmocnienia sieci po zamrożonym przygotowaniu zastosowano dodatkowo inne czynniki, takie jak promieniowanie gamma i UV oraz chemiczne środki sieciujące21,22,23. Hydrożele o wyższej zawartości chitozanu mają bardziej porowatą sieć i wysoką zdolność pęcznienia, ale mniejszą wytrzymałość i stabilność termiczną. W tym kontekście ważne jest, aby wziąć pod uwagę warunki przygotowania, aby uzyskać odpowiednie hydrożele do ich docelowego zastosowania.
Celem tej pracy jest szczegółowe przedstawienie, jak warunki zamrażania (temperatura zamrażania i liczba cykli) wpływają na końcowe cechy hydrożeli CS-PVA. Oceniono widma FT-IR, charakterystykę morfologiczną i porowatość oraz zdolność pęcznienia, a także zdolność ładowania i uwalniania leku. W badaniach uwalniania jako lek modelowy zastosowano diflunisal (Ryc. 1c), ze względu na jego wielkość odpowiednią do struktury hydrożelu.