Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

שיטת הקפאת-הפכנף כדי להכין Chitosan-פולי (ויניל אלכוהול) ללא מקשר בין סוכנים ומחקרים שחרור Diflunisal

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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת הידרוג chitosan-PVA

  1. הכן 2% (w/w) chitosan ו-10% (w/w) פתרונות PVA. לפזר 0.2 g של chitosan ב 10 מ ל של 0.1 M CH3הפתרון cooh (מסונן בעבר) בטמפרטורת החדר ולשמור על ערבוב מכני רציף לילה. מתמוסס 1 גרם PVA ב 10 מ ל של מים מזוקקים ומערבבים ב 80 ° צ' עבור 1 h.
  2. מערבבים את שני הפתרונות 1:1 באמצעות מערבב מגנטי עד שהם הומוגניות בטמפרטורת החדר, ויוצקים את התערובות על מנות פטרי. השאירו את הדגימות ל -2. בלחץ אטמוספירי לדגה
  3. הקפאת ההידרוג ב-4 ° צ',-20 ° צ' או-80 ° c עבור 20 h ו -4 מחזורים (דגימות CP4-4, CP4-20 ו CP4-80, בהתאמה). הקפאת הידרוג'ל נוסף ב-80 ° צ' עבור 20 h באמצעות 5 או 6 מחזורי הקפאה (דגימות CP5-80 ו-CP6-80). לאחר מחזור ההקפאה השלישי, רוחצים את ההידרוג עם מים מנולים. בסוף, להקפיא את ההידרוג'ל ב-46 ° c עבור 48 h ולאחסן לאפיון נוסף (מתודולוגיה המותאמת מ-2).

2. מאפיון ממטרים-IR

  1. מניחים חתיכה קטנה (1 מ"מ x 2 מ"מ) של הידרוג'ל בספקטרומטר FT-IR במצב ATR. קח את הספקטרום של FT-IR מ 4000 כדי 600 ס"מ-1 (2 ס"מ-1 של רזולוציה ממוצע של 32 סריקות).

3. מספר נפיחות

  1. גזור דיסקים (בקוטר 13 מ"מ ו -10 מ"מ גובה) מההידרוג'ל ושוקלים אותם. מודקות את הדיסקים ב 50 מ ל של מים מפוהים עם טלטול ב -25 ° c. . חזור שלוש פעמים
  2. כל 30 דקות להסיר את הדגימה מן המדיום, הנייר כדי לחסל את עודפי המים, ושוקל. לחשב את תואר הנפיחות באמצעות המשוואה 1 ולחשב את מצב Equation 1 שיווי משקל של נפיחות,, ב 24 h באמצעות המשוואה 2.
    Equation 2)
    היכן Equation 3 הוא המשקל של ההידרוג'ל היבש והוא Equation 4 המשקל של ההידרוג'ל הרטוב.
    Equation 5

4. מיקרוסקופ אלקטרוני

  1. כסו פיסת הידרוג'ל קטנה עם שכבת זהב דקה (30 s ו-10 mA) בקואטר.
  2. שים את המדגם במיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM). לנתח את הדגימות תחת ואקום ב 20 kV ולקחת את התמונות עם הגדלה 500x ו-1500 x.

5. פוראוסימטריה

  1. מניחים דיסקים 15 מ"מ קוטר במשקל סביב 0.26 g לתוך מדידת החדירה (מדידת החדירה מוצק, בעל נפח בצובר של 0.3660 mL ו 5.7831 mL של נפח הגזע). לנתח את גודל הנקבוביות על ידי מרקורי (MIP).
  2. בצע את הניסוי במצב היסטרזיס (שחול-חדירה). מדוד את עוצמת החדירה הכוללת (mL/g), אזור הנקבובית הכולל (m2/g), קוטר הנקבובית (μm), פורמות (%), חדירות (mdarcy) ו tortuosity. . אני חוזר פעמיים

6. העמסה ושחרור סמים

  1. לפני טעינת, להכין 4 L של 15 מ"ג/L diflunisal פתרון ומערבבים בן לילה. לאשר את ריכוז הפתרון על-ידי ספקטרוסקופיית UV-Vis (ריכוז ראשוני). אכן, מעולה 400 מ ג של הקפאה-יבשים דגימות של הידרוג'ל ב 6 מ ל של מים מזוקקים עבור 24 שעות.
  2. לטעינה, למלא בקבוקון עם 50 mL של פתרון diflunisal ולתחזק 25 ° c עם ערבוב קבוע. השקיעו כל הידרוג'ל מתנפח בבקבוקון.
    1. קחו במועדים שונים של פתרון diflunisal שנותר (2 מ ל) בתקופות שונות על מנת לקבוע את אזור הרמה של העקומה, לדוגמה: 3, 6, 24, 27, 30 ו 48 h. לאחר 24 שעות להחליף את הפתרון עם אחד טרי.
  3. למדוד את ספיגת ב 252 ננומטר של כל aliquot, ולקבוע את הריכוז של diflunisal הנוכחי בפתרון, באמצעות עקומת כיול של diflunisal. חשב את כמות הdiflunisal שנשמרה בהידרוג'ל ב -24 ו 48 h, כהפרש בין הריכוזים הראשוניים והסופיים, תוך התחשבות בנפח הכולל (56 mL).
    1. קבע את היעילות של עטיפת החשמל (EE) באמצעות המשוואה 3.
      Equation 6
    2. הקפאת ההידרוג הטעונים ב-80 ° צ' וליאופליז בשעה-50 ° c.
  4. עבור שחרור התרופה, להטביע 300 mg של הקפאה מיובשים diflunisal נטען הידרוג'לים ב 50 mL של פוספט מאגר (pH 7.4) ב 25 ° c. שמור על ערבוב קבוע. משיכת מחדש של 2 מ ל במועדים שונים ולהחליף עם מדיום טרי כדי לשמור על נפח קבוע.
    1. דטרמינטה הdiflunisal שוחרר spectrophotometrically ב 252 ננומטר, על פי עקומת כיול.
  5. להסיק את מנגנון שחרור הסמים השולט בהידרוג'לים התאמת נתוני שחרור התרופה המתאימים ל-60% הראשונים, לדגם קורסמיייר-Peppas (משוואה 4), כדי להשיג את התאים הקינטית (k) ואתהקומפוזיות (n). הערכים n מציינים את המנגנון של שחרור התרופה24,25. אז, n ערכים קרוב ל 0.5 קשורים לדיפוזיה fickian, בינתיים ערכים של 0.5-1.0 עבור הובלה חריגה, היכן מעורבים הדיפוזיה ושרשראות הרפיה, ולבסוף, ערכים של 1.0 קשורים למקרה II הובלה.
    Equation 7
    1. כדי לאשר את התוצאות, השתמש ההיגוצ'י, הסדר הראשון, ו אפס לסדר מודלים מתמטיים (משוואות 5 כדי 7) ולבחור את התאמה טובה יותר.
    2. Equation 8
      Equation 9
      Equation 10
      כאשר t מייצג את זמן השחרור, Mt כמות התרופה הנשלחת בזמן נתון, ו- M∞ הסכום הכולל של התרופה שנמסרה בסוף התהליך.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הכנת הידרולים
Chitosan-PVA הידרוג'לים התקבלו ב-4 ° c,-20 ° c ו-80 ° c עם 4 מחזורי הקפאה ו-80 ° צ' עם 5 ו 6 מחזורי הקפאה על ידי הקפאת בעבר שיטה הקפאה2. כל ההידרוג היו הומוגניות, שקופה למחצה, גמישה ועמידה בפני מניפולציה.

מיגון-ממטרים
ספקטרום ה-FT-IR מוצג באיור 2. שבעה אותות מאפיינים של פולימרים chitosan ו pva זוהו: ב 3286 ס"מ-1 במצב רטט מתיחה pva הידרוקסיל הקבוצה (-הו) ו ב 2918 ס"מ-1 במצב רטט מתיחה של-CH קבוצה26,27. האותות של קבוצות amide, נציג של chitosan מבנה, נמצאו ב 1652 ס מ-1 למצב רטט מתיחה של C = O (amide I), ב 1560 סמ -1 למצב רטט ברעידות של N-H (amide II) ו 1325 ס מ-1 עד הרטט של amide III28,29,30. אותות אחרים, ב 1418 ס מ-1 למצב רטט של c-H ו-1086 ס"מ-1 למצב רטט מתיחה של קבוצות c-O, שניהם pva, זוהו27,31,32.

מיקרוסקופ אלקטרוני
כל ההידרוג'לים CS-PVA הראו משטח נקבובי מאוד (איור 3, משמאל לימין) ושינויים ייחודיים נצפו על פי תנאי ההכנה. הידרוג'לים שהוכנו ב-4 ° צ' (CP4-4) הציגו נקבוביות גדולות יותר מאשר ההידרוג שהוכנו ב-80 ° צ' (CP4-80). יתר על כן, נראה כי האחרון יש רשת נקבובי יותר. אפקט זה עשוי להיות בשל העובדה, כי, בטמפרטורה נמוכה יותר, היווצרות גביש המים היה מהיר וגבישים קטנים רבים התפתחה והיו מסובלימציה במהלך תהליך הקפאת ייבוש, השארת נקבוביות ריק14,33. בינתיים, את ההשפעה של מספר מחזורי ההקפאה נראה לקדם נקבוביות מוגדרות יותר מעגלית ב hydrogels CP6-80 (איור 3, מלמעלה למטה).

פוראוסימטריה
דוגמאות CP4-4, CP4-80 ו CP6-80 הציגו שינויים בולטת יותר; כדי להשלים את המידע על מורפולוגיה, הם נותחו על ידי MIP (שולחן 1). ההשוואה בין הידרוג'לים CP4-4 ו-CP4-80 (איור 3a) הראו כי, בטמפרטורה נמוכה יותר של הקפאת, הידרוג פיתחה רשת נקבובי יותר, אשר הציג נפח החדירה הכולל גדול ואזור הנקבוביות הכוללת גבוה יותר. עם זאת, הידרוג'לים CP6-80 הראה חדירות פחות CP4-80 (איור 3b), כנראה בשל tortuosity גבוהה שלהם, אשר גם השתקף בנפח החדירה הכולל נמוך. איור 3 מציג את גדלי הנקבוביות השונות של ההידרולים האלה. שתי גדלי נקבובית היו מכובדים, אחד בין 0.3-5.0 יקרומטר ואחרים בין 5.0-30 יקרומטר. ב הידרוג'לים CP4-80 ו-CP6-80, הרשת הנקבובי היה מספר גדול יותר של נקבוביות קטנות מאשר גדולים, לעומת CP4-4 הידרוג'ל. תוצאות אלו היו דומות לאלה שנצפו על-ידי מיקרוגרפים של SEM והציעו, שבטמפרטורה נמוכה יותר האינטראקציות הגדולות יותר בין רשתות ה-PVA היו מועדפים ואזורים יותר גבישיים. באופן כזה, היווצרות של אזורים גבישי על ידי שרשראות PVA, היה מגורה בטמפרטורה נמוכה.

נפיחות
באיור 4ניתן לראות את התנהגות הנפיחות של ההידרוג'לים מבוססי-pva. הם ספגו במהירות כמויות גדולות של מים; עבור 5 השעות הראשונות הם שמרו 10x המשקל שלהם, ואחרי 20 שעות הם שומרים עד 15x המשקל שלהם (נקודת שיווי משקל). עם זאת, ביחס הידרוג שהוכנו באותו מספר של מחזורי הקפאה, ההידרוג'ל CP4-80 הראה קיבולת הנפיחות פחות ב -5 השעות הראשונות כתוצאה של הטמפרטורה ששימש ההכנה (-80 ° c). במקרה של הידרוג'לים שהוכנו במספר שונה של מחזורי הקפאה (CP4-80, CP5-80 ו CP6-80) לא נמצאו הבדלים בכל עת. ככל הנראה, קיבולת הנפיחות הנמוכה שנצפתה בהידרוג'לים שהוכנו ב-80 ° c נגרמה על ידי גודל הנקבובית הקטן של רשת ההידרוג'ל.

העמסה ושחרור של סמים
כדי להעריך את היכולת של הידרוג CS-PVA כמו מערכות אספקת סמים, diflunisal תרופות אנטי דלקתיות נטען ברשת ושוחרר לאחר מכן. היעילות האנקפסולציה (EE) בכל המערכות הללו הייתה סביב 70%; עם זאת, CP4-80 הידרוג'ל הציג קצת יותר EE ב 73% (שולחן 2). בינתיים, הקינטיקה הdiflunisal מההידרולים של CS-PVA נשמרה במשך כ -30 שעות בכל המקרים. ההידרוג'ל CP4-80 הוציאה את הכמות הגבוהה ביותר של diflunisal (איור 5). זה יכול להיות בגלל העובדה הידרוג'ל זה הראה מבנה נקבובי יותר בהשוואה לשני סוגים אחרים של הידרוג'ל. תכונה זו אפשרה למולקולה הקטנה של התרופה להיכנס בקלות לרשת ההידרוג'ל ולאחר מכן להשתחרר. בין CP4-80 ו-CP6-80 הידרוג'לים לא נצפו במהלך זמני שחרור (איור 6). אפקט פרץ לא נצפתה באף אחד ההידרוג CS-pva, אשר מבטיח עבור יישומים התרופות. מודלים מתמטיים שימשו כדי לקבוע את מנגנון השחרור העיקרי ב-CS-PVA הידרוג'לים. התוצאות הותאמו למודלים מתמטיים שונים (שולחן 3) ולפי הערכים n , זה נמצא כי the fick דיפוזיה שולטת בתהליך שחרור התרופה.

Figure 1
איור 1: מבנה כימי של PVA (א), chitosan (ב) ו-diflunisal (ג). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: ספקטרום האינפרא-אדום chitosan טהור ו-PVA, chitosan-PVA הידרוג'ל המוכן בתנאים שונים של הקפאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: מיקרוגרפים של SEM chitosan-PVA הידרוג'לים בהגדלה של 1500 x. בגודל הנקבוביות הפצות של chitosan-PVA הידרוג: א) הידרוג מוכן 4 מחזורי הקפאה ו-4 ° c ו-80 ° c. ב) הידרוג'ל שהוכן ב-80 ° c ו-4 ו -6 מחזורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: קינטיקה מתנפחת של chitosan-PVA הידרוג: א) הידרוג עם 4 מחזורי הקפאה ו b) הידרו-80 ° c. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: Diflunisal משחרר פרופילים ב-mg (a) וEquation 11 -Mt/(ב) עבור הידרוג'לים CP4-4 ו CP4-80. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: Diflunisal משחרר פרופילים מ ג (a) ו MtEquation 11 /(ב) עבור הידרוג'לים CP4-80 ו CP6-80. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

שילוב נפח חדירה כולל (mL/g) כולל אזור הנקבוביות (m2/g) פורמי (%) פרמאביליות (mdarcy) Tortuosity
CP4-4 5.16 10.19 67.13 132.43 10.46
CP4 7.36 15.14 85.95 151.16 5.83
CP6 6.69 12.86 84.82 129.28 12.2

טבלה 1: פרמטרים של פוראוסימטריה של המבנה הנקבובי של chitosan-PVA הידרוג.

דוגמה Diflunisal Diflunisal שוחרר
mg/g הידרוג'ל כימוס יעילות (%) % שוחרר כבוד לטעון
CP4-4 3.05 ± 0.09 71 79 ± 3.33
CP4 3.22 ± 0.47 73 86 ± 0.4
CP6 3.19 ± 0.05 68 80 ± 3.9

טבלה 2: כימוס ושחרור יעילות עבור chitosan-PVA הידרוג'לים.

דוגמה קורסמייר-פפס הידגוצ'י הסדר הראשון אפס הזמנה
kKP x 102 n מאורהשני kH x 102 מאורהשני k1 x 102 מאורהשני k0 x 102 מאורהשני
(מינימום-n) (מינימום-0.5) (מינימום-1) (מינימום-1)
CP4-4 4.3 ± 0.39 0.44 ± 0.02 0.99 3.1 ± 0.1 0.98 0.29 ± 0.03 0.803 0.18 ± 0.02 0.54
CP4 3.6 ± 0.33 0.50 ± 0.02 0.99 3.7 ± 0.1 0.99 0.42 ± 0.03 0.894 0.27 ± 0.02 0.7
CP6 2.3 ± 0.24 0.54 ± 0.02 0.99 2.9 ± 0.1 0.99 0.27 ± 0.02 0.925 0.17 ± 0.01 0.77
k= קבוע קינטי; n= קבוע דיפוזיה.

שולחן 3: הפרמטרים הקינטית של diflunisal שחרור chitosan-PVA הידרוג.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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, אשר יכול לגרום תגובה דלקתית או תופעות לוואי בגוף האדם34. זוהי שיטה רב-תכליתית כי היא מציעה את האפשרות להכין הידרוג מ pva או תערובות שלהם עם פולימרים שונים11,37 באופן כזה מאפיינים חדשים של פולימרים אחרים ניתן להשיג בחומר החדש (g., הקיבולת העיקרית לקלוט מים, מיקרוביאלית או נוגדי חמצון נכסים2,18,35). עם זאת, חשוב לשקול ששילוב של פולימרים אחרים עלול להקטין את כוחה של ההידרוג19,37.

הפרמטרים העיקריים שיש לשקול בשיטת ההקפאה הם טמפרטורת ההקפאה, הזמן ומספר מחזורי ההקפאה, וגם היחס הפולימרי (במקרה של תערובות פולימריות)2,19,20. מגוון רחב של מאפיינים של נפיחות, מורפולוגיים ומכניים ניתן להשיג עם שיטה זו כאשר תנאי ההקפאה נשלטים. פרמטרים אלה משפיעים ישירות על תצורת הרשת התלת-ממדית ב-chitosan-pva הידרוג משום שתנאי ההקפאה מקדמת את הסידורים ברשתות pva, אשר מצורפות על ידי אינטראקציות פיזיות, הנקראות אזורים קריסטלי12,38. אלה אזורים גבישי הם אזורים מרוכזים של איגרות חוב מימן הפועלים כנקודות הקישור בהידרוג ' לים, אשר לתחזק וליצור את הרשת תלת מימדי וזה כוח מפסק כאשר הידרוג נמצאים במצב נפיחות2,39,40.

במחקר זה, אנו הערכנו את ההשפעה של מגוון חדש של טמפרטורות הקפאת הפסקה ( -4 ° c,-20 ° c ו-80 ° c) בשילוב עם מספר שונה של מחזורי הקפאה (4, 5 ו 6) אבל באותו זמן של הקפאת (20 h), כדי להכין 1:1 chitosan-PVA הידרוג. קיבולת הנפיחות הנמוכה ביותר נצפתה בטמפרטורה הנמוכה ביותר (-80 ° c). אכן, הידרוג בטמפרטורה הנמוכה ביותר השיגה את הנקבוביות הקטנות יותר הרשתות נקבובי יותר. הבדלים אלה ב-chitosan-PVA הידרוג'לים שימושיים עבור יישומים שונים כגון מערכות אספקת סמים או מקפלים. באופן כללי, chitosan-pva הידרוג'ל להציג שיעורי גבוה של נפיחות, בשל קבוצות הידרופיפילית chitosan (-NH2)41,42, והם רכים, גמיש, קל לטפל ולהתנגד מניפולציה בגלל מאפייני pva. במובן זה, שיטת הקפאת-הפשרה היא קלה, זול ומהיר לייצר הידרוג chitosan-PVA עם מאפיינים שונים, הימנעות הצלב הרעיל המקשר.

למרות ההקפאה הפשרה היא שיטה קלה וידידותית, יש לו כמה החסרונות. העצמה מוחלטת של chitosan, במקרה זה, ואת תערובות פולימר הוא מאוד חשוב. הידרולים יכולים להציג אזורים שבירים יותר ומבנה נקבובי בלתי סדיר. גם, יש צורך לבצע פירוק נכון של pva במים על ידי חימום ב 70-80 ° c42,43 עבור 1 h תחת ערבוב מגנטי. הקירור של פתרון PVA זה חייב להיות איטי עם ערבוב קבוע כדי למנוע את היווצרות של שכבה מוצק של PVA.

מגבלה של שיטה זו, עבור התרבות התא assays היא היווצרות של הידרוג לבנבן או שקוף למחצה. במקרה זה, היישום של גליצרול או dmso (התרכובת הרעילה בטמפרטורת החדר) יכול לשמש כדי לשפר את המראה של הידרוג'ל23,44. שלב ההקפאה של שיטת ההקפאה להכנת הידרוג-PVA הוא צעד קריטי, כי ההידרוג יכול להציג מכווץ באזור האמצעי, אשר מסבך את העבודה ואת האפיון. כדי למנוע זאת, יש לשמור על הדגימה קפואה לחלוטין לפני הליאופליזציה. בנוגע להעלאת הסמים וללימודי השחרור, חשוב מאוד לוודא שאין הפרעות באותות ממרכיבי ההידרוג'ל והתרופה לכימות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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, aM., Aly, aS., Hrdina, R., Montaser, aS., 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

ביו-הנדסה סוגיה 155 Chitosan-פולי (ויניל אלכוהול) הידרוג הקפאת היתר Diflunisal לימודי העמסה ושחרור של סמים אפיון רשת פוראוסימטריה
שיטת הקפאת-הפכנף כדי להכין Chitosan-פולי (ויניל אלכוהול) ללא מקשר בין סוכנים ומחקרים שחרור Diflunisal
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Figueroa-Pizano, M. D., Vélaz,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter