Summary
Fryse-optøning metode bruges til at producere chitosan-poly (vinyl alkohol) silicagelrogeler uden binding agenter. For denne metode, er det vigtigt at overveje frysning betingelser (temperatur, antal cyklusser) og polymer ratio, som kan påvirke egenskaberne og anvendelser af de opnåede hydrogels.
Abstract
Chitosan-poly (vinyl alkohol) silicagelrogeler kan produceres ved fryse-optøning metode uden brug af giftige binding agenter. Applikationerne fra disse systemer er begrænset af deres karakteristika (f. eks. porøsitet, fleksibilitet, opsvulmende kapacitet, narkotika belastning og frigivelse af narkotika), som afhænger af fryse forholdene og polymerens art og forhold. Denne protokol beskriver, hvordan man forbereder silicagelrogeler fra chitosan og poly (vinyl alkohol) ved 50/50 w/w% af polymer sammensætningen og Varier frysetemperaturen (-4 °c,-20 °c,-80 °c) og fryse optønings cyklusser (4, 5, 6 fryse cyklusser). FT-IR Spectra, SEM Mikrograf og porosimetry data af silicagelrogeler blev opnået. Også, hævelse kapacitet og Drug lastning og frigivelse af mefenaminsyre blev vurderet. Resultater fra SEM mikrografer og porosimetri viser, at porestørrelse falder, mens porøsitet stiger ved lavere temperaturer. Den hævede procentdel var højere ved den mindre fryse temperatur. Frigivelsen af mefenaminsyre fra silicagelrogeler er blevet undersøgt. Alle netværk opretholde narkotika frigivelse for 30 h og det er blevet observeret, at en simpel diffusions mekanisme regulerer mefenaminsyre frigivelse i henhold til korsmeyer-peppas og Higuchi modeller.
Introduction
For nylig har silicagelrogeler tiltrukket stor interesse i biomedicinsk område, fordi de er tredimensionale netværk med højt vandindhold og er bløde og fleksible, så de kan efterligne naturlige væv let1. Også, de ikke opløses i vandig medium ved fysiologisk temperatur og pH, men frembyder en stor hævelse2. Hydrogels kan fungere som vævs ingeniør stilladser, hygiejneprodukter, kontaktlinser og sårdressinger; fordi de kan fælde og frigive aktive stoffer og lægemidler, de anvendes som narkotika levering systemer3. Afhængigt af deres anvendelse, silicagelrogeler kan fremstilles af naturlige eller syntetiske polymerer, eller en kombination af begge, for at opnå de bedste egenskaber4.
Egenskaberne af silicagelrogeler er en konsekvens af mange fysiske og kemiske faktorer. På det fysiske niveau afhænger deres struktur og morfologi af deres porøsitet, porestørrelse og pore fordeling5. På det kemiske og molekylære niveau, polymer typen, den hydrofile gruppeindhold i polymer kæden, binding punkttype, og Cross-Linking tæthed er de faktorer, der bestemmer hævelsen kapacitet og de mekaniske egenskaber6,7.
Ifølge den type binding agent bruges til at danne nettet, silicagelrogeler er klassificeret som kemiske silicagelrogeler eller fysiske silicagelrogeler. Kemiske silicagelrogeler er forbundet med kovalente interaktioner mellem deres kæder, som dannes gennem UV og gammabestråling eller ved hjælp af en binding agent7,8. Kemiske silicagelrogeler normalt er stærke og resistente, men generelt, den binding agent er giftigt for cellerne og dens fjernelse er vanskelig, så dens anvendelse er begrænset. På den anden side, fysiske silicagelrogeler form ved tilslutning af polymer kæder gennem ikke-kovalente interaktioner, undgå brug af binding agenter4,9. De vigtigste ikke-kovalente interaktioner i netværket er hydrofobe interaktioner, elektrostatiske kræfter, komplementære og brint grænser7.
Poly (vinyl alkohol) (PVA, figur 1a) er en syntetisk og vandopløselig polymer med fremragende mekanisk ydeevne og biokompatibilitet, der kan fra link agent-fri silicagelrogeler gennem fryse-optøning metode10,11. Denne polymer har kapacitet til at danne koncentrerede zoner af brint obligationer mellem-OH grupper af deres kæder (krystallinske zoner), når de fryser12. Disse krystallinske zoner fungerer som tværbindende punkter i netværket, og de fremmes af to begivenheder: nærmer af polymer kæder, når krystal vandet udvider og PVA konformationelle ændringer fra isotaktik til syndiotaktisk PVA under fryse13. På grund af frysetørring, vand krystaller er sublimeret, forlader tomrum rum, der er porerne i hydrogel14. For at opnå silicagelrogeler med bedre egenskaber, PVA kan let kombineres med andre polymerer.
I den forstand, chitosan udgør en mulighed, da det er den eneste biopolymer fra naturlige kilder med positive afgifter. Det er fremstillet ved deacetylering af chitin og det består af tilfældige kombinationer af β-1, 4 forbundet D-glucosamin (deacetyleret enhed) og N-acetyl-D-glucosamin (acetyleret enhed)15,16 (figur 1b). Chitosan er biologisk nedbrydeligt af humane enzymer, og det er biokompatibelt. Også, ved sin kationiske karakter, det kan interagere med den negative ladning af cellens overflade, og denne egenskab har været forbundet med sin antimikrobielle aktivitet17. Denne polymer er let at bearbejde; Men, deres mekaniske egenskaber er ikke tilstrækkelige, og nogle materialer er blevet tilføjet til at danne komplekser med bedre egenskaber.
I betragtning af de særlige karakteristika ved chitosan og PVA er den vellykkede fremstilling af silicagelrogeler nået ved fryse optønings metode2,18 for at undgå brug af giftige binding-agenter. I chitosan-PVA hydrogels dannes de krystallinske zoner PVA også, og chitosan kæder er interpenetrerede og danner simple hydrogenbindinger med-NH2 grupper og-Oh grupper i PVA. Den endelige chitosan-PVA hydrogel er mekanisk stabil, med høje rater af hævelse og lav toksicitet, og med antibakteriel virkning18. Afhængigt af de fryse betingelser, der anvendes i præparatet (temperatur, tid og antal cyklusser), kan de endelige egenskaber dog ændre sig. Nogle undersøgelser rapporterer, at øge antallet af fryse cyklusser nedsætter hævelse grad og øger trækstyrke19,20. For at styrke nettet, andre agenter såsom gamma og UV-stråling og kemiske crosslinkers er blevet anvendt yderligere efter fryse optøet præparat21,22,23. Hydrogels med en højere chitosan andel har en mere porøs netværk og høj hævelse kapacitet, men mindre styrke og termisk stabilitet. I denne sammenhæng er det vigtigt at overveje tilberednings betingelserne for at opnå passende silicagelrogeler til deres målapplikation.
Formålet med dette arbejde er at fremlægge en detaljeret beskrivelse af, hvordan fryse forholdene (fryse temperatur og antal cyklusser) påvirker de endelige egenskaber ved CS-PVA-hydrogels. FT-IR spektre, morfologiske og porøsitet egenskaber og hævelse kapacitet blev evalueret, samt narkotika lastning og frigivelse kapacitet. I Release studierne, mefenaminsyre (figur 1c) blev anvendt som model stof, på grund af sin størrelse egnet til hydrogel struktur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. klargøring af chitosan-PVA silicagelrogeler
- Forbered 2% (w/w) chitosan og 10% (w/w) PVA-opløsninger. 0,2 g chitosan opløses i 10 mL 0,1 M LM3COOH opløsning (tidligere filtreret) ved stuetemperatur og opretholder kontinuerlig mekanisk omrøring natten over. 1 g PVA opløses i 10 mL destilleret vand og omrøres ved 80 °C i 1 time.
- Bland begge opløsninger 1:1 ved hjælp af en magnetisk omrører, indtil de er homogene ved stuetemperatur, og hæld blandingerne på Petri skåle. Lad prøverne stå i 2 timer ved atmosfærisk tryk til Degas.
- Silicagelrogeler fryses ved-4 °c,-20 °c eller-80 °c i 20 timer og 4 cyklusser (prøver henholdsvis CP4-4, CP4-20 og CP4-80). En anden hydrogel fryses ved-80 °C i 20 timer ved brug af 5 eller 6 fryse cyklusser (prøver CP5-80 og CP6-80). Efter den tredje fryse cyklus vaskes silicagelrogeler med deioniseret vand. I slutningen fryse tørre silicagelrogeler ved-46 °c for 48 h og opbevares for yderligere karakterisering (metode tilpasset fra2).
2. FT-IR-karakterisering
- Anbring et lille stykke (1 mm x 2 mm) hydrogel i FT-IR-spektrometer i ATR-tilstand. Tag FT-IR Spectra fra 4000 til 600 cm-1 (2 cm-1 af opløsning og gennemsnit af 32 scanninger).
3. hævede assays
- Skær ud skiver (13 mm i diameter og 10 mm i højden) fra hydrogel og veje dem. Pladerne inkubates i 50 mL deioniseret vand med omrystning ved 25 °C. Gentag tre gange.
- Hver 30 min fjerne prøven fra mediet, blotter at eliminere overskydende vand, og vejer. Beregn hævelse grad ved hjælp af ligningen 1 og beregne ligevægt tilstand af hævelse,
, ved 24 h ved hjælp af ligningen 2.
)
Hvor
er vægten af den tørre hydrogel og 
er vægten af den våde hydrogel.
, ved 24 h ved hjælp af ligningen 2.
)
er vægten af den tørre hydrogel og 
er vægten af den våde hydrogel.
4. elektronisk mikroskopi
- Dæk et lille stykke hydrogel med et tyndt guld lag (30 s og 10 mA) i en sputter Coater.
- Sæt prøven i et scannings elektronmikroskop (SEM). Analysér prøverne under vakuum ved 20 kV og tag billederne med en forstørrelse på 500x og 1500x.
5. porosimetri
- Placer skiver med en diameter på 15 mm, der vejer ca. 0,26 g i penetrometri (et solidt penetrometri, med en bulk volumen på 0,3660 ml og 5,7831 ml Stem volumen). Analysere porøsitet og porestørrelse ved kviksølv indtrængen Porosimetry (MIP).
- Udfør eksperimentet i hysteresetilstanden (indtrængnings ekstrudering). Mål den totale indtrængnings volumen (mL/g), det totale pore areal (m2/g), porediameter (μm), porøsitet (%), permeabilitet (mdarcy) og tortuositet. Gentag to gange.
6. indlæsning og frigivelse af stoffer
- Før indlæsning, Forbered 4 L af 15 mg/L mefenaminsyre opløsning og rør natten over. Bekræft koncentrationen af opløsningen ved UV-Vis-spektroskopi (initialkoncentration). Faktisk svulme 400 mg frysetørret prøver af hydrogel i 6 mL destilleret vand til 24 h.
- Til pålæsning fyldes en kolbe med 50 ml mefenaminsyre opløsning og holdes ved 25 °c med konstant omrøring. Nedsænk hver svulmede hydrogel i kolben.
- Tage aliquoter af resterende mefenaminsyre opløsning (2 ml) på forskellige tidspunkter for at bestemme den plateau region af kurven, for eksempel: 3, 6, 24, 27, 30 og 48 h. Efter 24 h Udskift opløsningen med en frisk.
- Absorbansen måles ved 252 nm af hver alikvot, og koncentrationen af mefenaminsyre, der er til stede i opløsningen, bestemmes ved hjælp af en kalibreringskurve for mefenaminsyre. Den mængde mefenaminsyre, der opbevares i hydrogel ved 24 og 48 h, beregnes som forskellen mellem Initial og endelig koncentration under hensyntagen til den totale mængde (56 ml).
- Bestem indkapsling effektivitet (EE) ved hjælp af ligningen 3.
- Fryse de belastede silicagelrogeler ved-80 °c og lyophilize dem ved-50 °c.
- Bestem indkapsling effektivitet (EE) ved hjælp af ligningen 3.
- Til lægemiddel frigivelse nedsænkes 300 mg frysetørret mefenaminsyre-indlæste silicagelrogeler i 50 ml fosfatbuffer (pH 7,4) ved 25 °c. Bevar konstant omrøring. Træk aliquoter af 2 mL på forskellige tidspunkter og Udskift med frisk medium for at holde en konstant volumen.
- Bestemme mefenaminsyre frigivet spektrofotometrisk ved 252 nm, i henhold til en kalibreringskurve.
- Udlede den fremherskende narkotika frigivelse mekanisme i silicagelrogeler justering af stoffet frigivelse data svarende til de første 60%, til korsmeyer-peppas model (ligning 4), for at opnå kinetiske (k) og diffusion (n) konstanter. N -værdierne angiver mekanismen for lægemiddel frigivelse24,25. Derefter, n værdier tæt på 0,5 er relateret til fickian diffusion, i mellemtiden værdier på 0.5-1.0 for unormal transport, hvor der er involveret diffusion og afslapnings kæder, og endelig, værdier af 1,0 er relateret til sag II transport.
- Hvis du vil bekræfte resultaterne, skal du bruge de matematiske modeller Higuchi, First Order og Zero Order (ligninger 5 til 7) og vælge den bedre pasform.
-
hvor t repræsenterer udgivelsestid, MT mængden af lægemiddel leveret på et givet tidspunkt, og M∞ den samlede mængde af lægemidlet leveres i slutningen af processen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forberedelse af hydrogels
Chitosan-PVA silicagelrogeler blev opnået ved-4 °c,-20 °c og-80 °c med 4 fryse cyklusser og ved-80 °c med 5 og 6 fryse cyklusser ved den tidligere rapporterede fryse optønings metode2. Alle silicagelrogeler var homogene, halvgennemsigtige, fleksible og modstandsdygtige over for manipulation.
FT-IR-karakterisering
FT-IR-spektrene er vist i figur 2. Syv Karakteristik signaler af chitosan og PVA polymerer blev detekteret: ved 3286 cm-1 strækning vibration tilstand af PVA hydroxylgruppe (-Oh) og ved 2918 cm-1 stretching vibration tilstand af-CH gruppe26,27. Signalerne af AMID grupper, repræsentant for chitosan struktur, blev fundet ved 1652 cm-1 til stretching vibration tilstand af C = O (AMID I), ved 1560 cm-1 til fleksion vibration tilstand af N-H (AMID II) og 1325 cm-1 til vibrationer af AMID III28,29,30. Andre signaler, ved 1418 cm-1 til fleksion vibration tilstand af c-H og ved 1086 cm-1 til stretching vibration tilstand af c-O-grupper, begge PVA, blev detekteret27,31,32.
Elektronisk mikroskopi
Alle CS-PVA silicagelrogeler viste en meget porøs overflade (figur 3, fra venstre til højre), og der blev observeret markante ændringer i henhold til Præparations betingelserne. Silicagelrogeler tilberedt ved-4 °c (CP4-4) præsenterede større porer end silicagelrogeler fremstillet ved-80 °c (CP4-80). Desuden synes sidstnævnte at have et mere porøs netværk. Denne effekt kan skyldes det faktum, at ved lavere temperatur, vand krystaldannelse var hurtigere og mange små krystaller opstod og blev sublimeret under frysetørring proces, forlader void porer14,33. I mellemtiden, effekten af antallet af fryse cyklusser synes at fremme mere definerede og cirkulære porer i silicagelrogeler CP6-80 (figur 3, fra top til bund).
Porosimetry
Prøver CP4-4, CP4-80 og CP6-80 præsenterede mere markante ændringer; for at supplere oplysningerne om morfologi blev de analyseret af MIP (tabel 1). Sammenligningen mellem silicagelrogeler CP4-4 og CP4-80 (figur 3a) viste, at ved en lavere temperatur af frysning, silicagelrogeler udviklet en mere porøs netværk, som præsenterede en stor samlet indtrængen volumen og højere samlede pore areal. Men, silicagelrogeler CP6-80 viste mindre permeabilitet end CP4-80 (figur 3b), sandsynligvis på grund af deres høje tortuositet, som også blev afspejlet i en lavere samlede indtrængen volumen. Figur 3 præsenterer de forskellige porestørrelser af disse hydrogels. Der skelnes mellem to porestørrelser, en mellem 0,3-5,0 μm og andre mellem 5,0-30 μm. I silicagelrogeler CP4-80 og CP6-80 havde det porøse netværk et større antal små porer end store, sammenlignet med CP4-4 hydrogel. Disse resultater var magen til dem observeret af SEM mikrografer og foreslog, at ved lavere temperatur større interaktioner mellem PVA kæder blev begunstiget og flere krystallinske zoner blev dannet. På en sådan måde blev dannelsen af krystallinske zoner af PVA kæder stimuleret ved lav temperatur.
Hævede assays
Den hævelse opførsel af CS-PVA silicagelrogeler kan ses i figur 4. De absorberede hurtigt store mængder vand; i de første 5 timer beholdt de 10x deres vægt, og efter 20 timer bevarer de op til 15x deres vægt (ligevægtspunkt). I forbindelse med silicagelrogeler, der er fremstillet ved samme antal fryse cyklusser, viste hydrogel CP4-80 imidlertid mindre opsvulmende kapacitet i de første 5 timer som følge af den temperatur, som blev anvendt til tilberedningen (-80 °c). I tilfælde af silicagelrogeler fremstillet ved forskellige antal fryse cyklusser (CP4-80, CP5-80 og CP6-80) blev der ikke fundet nogen forskelle på noget tidspunkt. Sandsynligvis, den nedsatte hævelse kapacitet observeret i silicagelrogeler fremstillet ved-80 °c var forårsaget af den lille porestørrelse hydrogel netværk.
Indlæsning og frigivelse af stoffer
For at evaluere kapaciteten af CS-PVA silicagelrogeler som lægemiddel leveringssystemer, blev det antiinflammatoriske lægemiddel mefenaminsyre indlæst i netværket og efterfølgende frigivet. Indkapsling effektivitet (EE) i alle disse systemer var omkring 70%; CP4-80-hydrogel præsenterede imidlertid lidt EE ved 73% (tabel 2). I mellemtiden blev den frigørende kinetik af mefenaminsyre fra CS-PVA silicagelrogeler opretholdt i ca 30 h i alle tilfælde. CP4-80 hydrogel udgav den højeste mængde mefenaminsyre (figur 5). Dette kan skyldes det faktum, at denne hydrogel viste en mere porøs struktur i forhold til de to andre typer af hydrogel. Denne funktion tillod det lille molekyle af stof til nemt at komme ind i hydrogel netværk og derefter, at blive frigivet. Mellem CP4-80 og CP6-80 silicagelrogeler blev der ikke observeret forskelle under frigivelses tiderne (figur 6). Ingen burst effekt blev observeret i nogen af CS-PVA hydrogels, som er lovende for farmaceutiske applikationer. Matematiske modeller blev brugt til at bestemme den vigtigste frigivelse mekanisme i CS-PVA hydrogels. Resultaterne blev justeret til forskellige matematiske modeller (tabel 3) og ifølge n -værdierne, blev det konstateret, at Fick diffusion dominerer narkotika frigivelse proces.
Figur 1: Kemisk struktur af PVA (a), chitosan (b) og mefenaminsyre (c). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: FT-IR spektre af Pure chitosan og PVA og chitosan-PVA silicagelrogeler fremstillet ved forskellige fryse forhold. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: SEM mikrografer af chitosan-PVA silicagelrogeler ved 1500x forstørrelse. Pore størrelsesfordelinger af chitosan-PVA silicagelrogeler: a) silicagelrogeler fremstillet med 4 cyklusser af frysning og ved-4 °c og-80 °c. b) hydrogels fremstillet ved-80 °c og, 4 og 6 cyklusser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Hævelse kinetik af chitosan-PVA silicagelrogeler: a) silicagelrogeler med 4 cyklusser af frysning og b) silicagelrogeler fremstillet ved-80 °c. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Diflunisal-udgivelsesprofiler i mg (a)
og MT/(b) for silicagelrogeler CP4-4 og CP4-80. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Diflunisal-udgivelsesprofiler i mg (a) og MT/(b) for silicagelrogeler CP4-80 og CP6-80. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Hydrogel | Samlet indtrængnings volumen (mL/g) | Samlet pore areal (m2/g) | Porøsitet (%) | Permeabilitet (mdarcy) | Tortuositet |
| CP4-4 | 5,16 | 10,19 | 67,13 | 132,43 | 10,46 |
| CP4-80 | 7,36 | 15,14 | 85,95 | 151,16 | 5,83 |
| CP6-80 | 6,69 | 12,86 | 84,82 | 129,28 | 12,2 |
Tabel 1: Porosimetri parametre for den porøse struktur af chitosan-PVA hydrogels.
| Prøve | Diflunisal indlæst | Diflunisal frigivet | |
| mg/g hydrogel | Indkapsling effektivitet (%) | % frigivet i forhold til indlæst | |
| CP4-4 | 3,05 ± 0,09 | 71 | 79 ± 3,33 |
| CP4-80 | 3,22 ± 0,47 | 73 | 86 ± 0,4 |
| CP6-80 | 3,19 ± 0,05 | 68 | 80 ± 3,9 |
Tabel 2: Indkapsling og frigivelse effektivitet for chitosan-PVA hydrogels.
| Prøve | Korsmeyer-Peppas | Higuchi | Første ordre | Nul ordre | |||||
| kKP x 102 | N | R2 | kH x 102 | R2 | k1 x 102 | R2 | k0 x 102 | R2 | |
| (min-n) | (min-0,5) | (min-1) | (min-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 |
| CP4-80 | 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 |
| CP6-80 | 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= kinetisk konstant; n= diffusions konstant. | |||||||||
Tabel 3: Kinetiske parametre for mefenaminsyre frigivelse fra chitosan-PVA hydrogels.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Fryse optønings metoden er en egnet proces til tilberedning af biokompatible silicagelrogeler med fokus på biomedicinske, farmaceutiske eller kosmetiske anvendelser34,35,36. Den vigtigste fordel ved denne metode, sammenlignet med andre velkendte metoder til at forberede hydrogels, er, at binding agent brug undgås, hvilket kan forårsage en inflammatorisk respons eller negative virkninger i den menneskelige krop34. Dette er en alsidig metode, fordi det giver mulighed for at forberede silicagelrogeler fra PVA eller deres blandinger med forskellige polymerer11,37 på en sådan måde, at nye egenskaber fra de andre polymerer kan fås i det nye materiale (f. eks. større kapacitet til at absorbere vand, antimikrobielle eller antioxidant egenskaber2,18,35). Men, det er vigtigt at overveje, at inkorporering af andre polymerer kan nedsætte styrken af silicagelrogeler19,37.
De vigtigste parametre til at overveje i fryse-optøning metode er temperaturen af frysning, tid og antallet af fryse cyklusser, og også, polymer ratio (i tilfælde af polymer blandinger)2,19,20. En bred vifte af hævelse, morfologiske og mekaniske egenskaber kan opnås med denne metode, når fryse forholdene er kontrolleret. Disse parametre påvirker direkte den tredimensionale netværkskonfiguration i chitosan-PVA silicagelrogeler, fordi fryse forholdene fremmer ordningerne i PVA-kæder, som forbindes med fysiske interaktioner, kaldet krystallinske zoner12,38. Disse krystallinske zoner er koncentreret regioner af hydrogen obligationer, der fungerer som tværbindende punkter i silicagelrogeler, som opretholder og danner det tredimensionale netværk, og det er en retraktor kraft, når silicagelrogeler er i hævelsen tilstand2,39,40.
I denne undersøgelse evaluerede vi effekten af et nyt sortiment af fryse optønings temperaturer (-4 °C,-20 °C og-80 °C) kombineret med et forskelligt antal fryse cyklusser (4, 5 og 6), men samtidig frysning (20 h), til klargøring af 1:1 chitosan-PVA hydrogels. Den laveste hævede kapacitet blev observeret ved den laveste temperatur (-80 °C). Faktisk opnåede silicagelrogeler ved denne laveste temperatur de mindre porer og de mere porøse netværk. Disse forskelle i chitosan-PVA silicagelrogeler er nyttige til forskellige anvendelser, såsom narkotika leveringssystemer eller stilladser. I almindelighed, chitosan-PVA silicagelrogeler nuværende høje satser for hævelse, på grund af chitosan hydrofile grupper (-NH2)41,42, og de er bløde, fleksible, let at håndtere og modstå manipulation på grund af PVA egenskaber. I den forstand, fryse-optøning metode er let, billig og hurtig til at producere chitosan-PVA silicagelrogeler med forskellige egenskaber, undgå giftige crosslinking.
Selv om fryse-optøning er en nem og venlig metode, det har nogle ulemper. En fuldstændig homogenisering af chitosan, i dette tilfælde, og af polymer blandinger er meget vigtigt. Hydrogels kan præsentere mere skrøbelige zoner og en uregelmæssig porøs struktur. Det er også nødvendigt at foretage en korrekt opløsning af PVA i vand ved opvarmning ved 70-80 °c42,43 for 1 h under magnetisk omrøring. Afkølingen af denne PVA-opløsning skal være langsom med konstant omrøring for at forhindre dannelsen af et solidt lag PVA.
En begrænsning af denne metode, for cellekultur assays, er dannelsen af hvidlig eller halvgennemsigtig hydrogels. I dette tilfælde kan anvendelsen af glycerol eller DMSO (giftig forbindelse ved stuetemperatur) anvendes til at forbedre udseendet af hydrogel23,44. Fryse-tørring trin af fryse-optøning metode til at forberede CS-PVA silicagelrogeler er et kritisk skridt, fordi silicagelrogeler kunne præsentere en konstriktion i den midterste zone, som komplicere arbejdet og karakterisering. For at undgå dette skal prøven holdes helt frosset før lyofilisering. Med hensyn til narkotika lastning og frigivelse undersøgelser, er det meget vigtigt at sikre, at der ikke er nogen interferens med signalerne fra hydrogel komponenter og lægemidlet, der skal kvantificeres.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfattere er taknemmelige for C. Luzuriaga for støtte i porosimetry målinger. Forfatterne takker også Ministerio de Economía y Competitividad fra Spanien for finansiel støtte (projekt MAT2014-59116-C2-2-R) og PIUNA (Ref. 2018-15). Forfatterne vil også gerne anerkende Dr. Amir Maldonado fra Departamento de Física-UNISON for at støtte og nyttige kommentarer og Dr. SE Burruel-Ibarra fra DIPM-UNISON for SEM images og Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. for økonomisk støtte. ME Martínez-Barbosa vil gerne takke CONACyT (México) Projects No. 104931 og No. 256753, foruden den økonomiske støtte fra Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de redes Temáticas del CONACyT. Og, også projekt USO316001081. MD Figueroa-Pizano vil gerne anerkende CONACyT for finansiel støtte (stipendium 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 |
References
- 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).
- 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).
- Caló, E., Khutoryanskiy, V. V. Biomedical applications of hydrogels: A review of patents and commercial products. European Polymer Journal. 65, 252-267 (2015).
- Ahmadi, F., Oveisi, Z., Samani, M., Amoozgar, Z. Chitosan based hydrogels: Characteristics and pharmaceutical applications. Research in Pharmaceutical Sciences. 10 (1), 1-16 (2015).
- 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).
- 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).
- Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
- 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).
- Patel, A., Mequanint, K.
- 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).
- 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).
- Hassan, C. M., Peppas, N. A. Structure and Morphology of Freeze / Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 33, 2472-2479 (2000).
- 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).
- Kumar, A., Mishra, R., Reinwald, Y., Bhat, S. Cryogels: Freezing unveiled by thawing. Materials Today. 13 (11), 42-44 (2010).
- Wu, T., Li, Y., Lee, D. S. Chitosan-based composite hydrogels for biomedical applications. Macromolecular Research. 25 (6), 480-488 (2017).
- 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).
- Szymańska, E., Winnicka, K. Stability of Chitosan—A Challenge for Pharmaceutical and Biomedical Applications. Marine Drugs. 13, 1819-1846 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ritger, P. L., Peppas, N. A. A Simple Equation for Description of Solute Release. Journal of Controlled Release. 5, 37-42 (1987).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lozinsky, V. I., et al. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest. Trends in Biotechnology. 21 (10), 445-451 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Islam, A., et al. Evaluation of selected properties of biocompatible chitosan / poly ( vinyl alcohol) blends. International Journal of Biological Macromolecules. 82, 551-556 (2016).
- 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).
- 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).
