Summary

En Freeze-tine metode for å forberede Chitosan-Poly (vinyl alkohol) Hydrogeler uten Cross Linking agenter og diflunisal Release studier

Published: January 14, 2020
doi:

Summary

Den frysing-tine metoden brukes til å produsere Chitosan-Poly (vinyl alkohol) hydrogeler uten Cross Linking midler. For denne metoden, er det viktig å vurdere frysing forhold (temperatur, antall sykluser) og polymer ratio, som kan påvirke egenskaper og anvendelser av den oppnådde hydrogeler.

Abstract

Chitosan-Poly (vinyl alkohol) hydrogeler kan produseres av fryse-tine metoden uten å bruke giftige Cross Linking midler. Anvendelser av disse systemene er begrenset av deres egenskaper (f. eks, porøsitet, fleksibilitet, hevelse kapasitet, narkotika lasting og narkotika Release kapasitet), som er avhengig av frysing forhold og den type og forholdet mellom polymerer. Denne protokollen beskriver hvordan du klargjør hydrogeler fra Chitosan og Poly (vinyl alkohol) på 50/50 w/w% av polymer sammensetning og varierende fryse temperaturen (-4 ° c,-20 ° c,-80 ° c) og fryse-tine sykluser (4, 5, 6 fryse sykluser). FT-IR Spectra, SEM mikroskop og porosimetry data av hydrogeler ble innhentet. Også, hevelse kapasitet og narkotika lasting og frigjøring av diflunisal ble vurdert. Resultater fra SEM micrographs og porosimetry viser at pore størrelsen synker, mens porøsitet øker ved lavere temperaturer. Den hevelse prosentandelen var høyere ved mindre fryse temperatur. Utgivelsen av diflunisal fra hydrogeler har blitt undersøkt. Alle nettverkene opprettholde stoffet utgivelse for 30 h og det har blitt observert at en enkel diffusjon mekanisme regulerer diflunisal utgivelsen i henhold til Korsmeyer-Peppas og Higuchi modeller.

Introduction

Nylig har hydrogeler tiltrukket seg stor interesse for biomedisinsk feltet fordi de er tredimensjonale nettverk med høyt vanninnhold og er myke og fleksible, slik at de kan etterligne naturlig vev lett1. Også, de ikke oppløses i vandig medium ved fysiologisk temperatur og pH, men presentere en stor hevelse2. Hydrogeler kan fungere som vev engineering stillaser, hygieneprodukter, kontaktlinser, og sår dressinger; fordi de kan felle og slippe aktive forbindelser og narkotika, de brukes som legemiddellevering systemer3. Avhengig av deres anvendelse, kan hydrogeler være laget av naturlige eller syntetiske polymerer, eller en kombinasjon av begge, for å oppnå de beste egenskapene4.

Egenskapene til hydrogeler er en konsekvens av mange fysiske og kjemiske faktorer. På det fysiske plan, deres struktur og morfologi avhenge av deres porøsitet, pore størrelse og pore fordeling5. På kjemisk og molekylær nivå, polymer type, hydrofile gruppe innholdet i polymer kjeden, den Cross Linking punkttype, og kryss-linking tetthet er de faktorene som bestemmer hevelse kapasitet og mekaniske egenskaper6,7.

I henhold til typen Cross Linking middel som brukes til å danne nettverket, klassifiseres hydrogeler som kjemiske hydrogeler eller fysiske hydrogeler. Kjemisk hydrogeler er sammen med kovalente interaksjoner mellom sine kjeder, som dannes gjennom UV og gamma bestråling eller ved hjelp av en Cross Linking agent7,8. Kjemisk hydrogeler vanligvis er sterk og motstandsdyktig, men generelt er Cross Linking agent giftig for cellene og dens fjerning er vanskelig, så dens anvendelse er begrenset. På den annen side, fysisk hydrogeler form ved tilkobling av polymer kjeder gjennom ikke-kovalente interaksjoner, unngå bruk av Cross Linking agenter4,9. De viktigste ikke-kovalente interaksjoner i nettverket er hydrofobe interaksjoner, elektrostatiske styrker, komplementære og hydrogen grenser7.

Poly (vinyl alkohol) (PVA, figur 1a) er en syntetisk og vannløselig polymer med utmerket mekanisk ytelse og biokompatibilitet som kan fra krysskobling agent fri hydrogeler gjennom fryse-tine metoden10,11. Dette polymer har kapasitet til å danne konsentrerte soner av hydrogen obligasjoner mellom-OH grupper av sine kjeder (krystallinsk soner) når de fryser12. Disse krystallinsk soner fungere som Cross Linking poeng i nettverket, og de er fremmet av to hendelser: nærmer av polymer kjedene når krystall vannet utvides og PVA conformational endringer fra isotactic til syndiotactic PVA under fryse13. På grunn av fryse-tørking, vann krystaller er sublimert, etterlot void mellomrom som er porene i hydrogel14. For å få hydrogeler med bedre egenskaper, kan PVA lett kombineres med andre polymerer.

I den forstand, Chitosan utgjør et alternativ som det er den eneste Biopolymer fra naturlige kilder med positive kostnader. Det oppnås ved deacetylation av kitin og det er sammensatt av tilfeldige kombinasjoner av β-1, 4 koblet D-Glucosamine (deacetylated enhet) og N-acetyl-D-Glucosamine (acetylert enhet)15,16 (figur 1b). Chitosan er biologisk nedbrytbart av humane enzymer og det er biokompatible. Også ved sin kationiske natur, kan det samhandle med den negative belastningen av celleoverflaten, og denne eiendommen har vært forbundet med sin antimikrobielle aktivitet17. Dette polymer er lett å behandle; men deres mekaniske egenskaper er ikke tilstrekkelig og noen materialer har blitt lagt til skjema komplekser med bedre egenskaper.

Tatt i betraktning spesifikke karakteristikker av Chitosan og PVA, har vellykket produksjon av hydrogeler er nådd av fryse-tine metode2,18 for å unngå bruk av giftige Cross Linking midler. I Chitosan-PVA hydrogeler, de krystallinsk soner av PVA er også dannet, og Chitosan kjeder er interpenetrated og danne enkle hydrogen obligasjoner med-NH2 grupper og-oh grupper i PVA. Den endelige Chitosan-PVA hydrogel er mekanisk stabil, med høy forekomst av hevelse og lav toksisitet, og med antibakteriell effekt18. Men, avhengig av fryse forholdene som brukes i preparatet (temperatur, tid og antall sykluser), kan de endelige egenskapene endres. Noen studier rapporterer at å øke antall frysing sykluser reduserer hevelse grad og øker strekk styrken19,20. For å styrke nettverket, andre agenter som gamma og UV-stråling og kjemiske tverrbindere har blitt brukt i tillegg etter fryse-tint forberedelse21,22,23. Hydrogeler med en høyere Chitosan andel har et mer porøs nettverk og høy hevelse kapasitet, men mindre styrke og termisk stabilitet. I denne sammenhengen er det viktig å vurdere Forberedelses betingelsene for å oppnå egnede hydrogeler for deres mål anvendelse.

Hensikten med dette arbeidet er å presentere i detalj hvordan frysing forhold (temperatur på frysing og antall sykluser) påvirker de endelige karakteristikkene av CS-PVA hydrogeler. FT-IR Spectra, morfologiske og porøsitet egenskaper og hevelse kapasitet ble evaluert, så vel som narkotika lasting og slipp kapasitet. I utgivelsen studier, diflunisal (figur 1c) ble brukt som modell stoff, på grunn av sin størrelse egnet til hydrogel struktur.

Protocol

1. utarbeidelse av Chitosan-PVA hydrogeler Forbered 2% (w/w) Chitosan og 10% (w/w) PVA løsninger. Løs opp 0,2 g Chitosan i 10 mL 0,1 M CH3COOH-oppløsning (tidligere filtrert) ved romtemperatur og vedlikehold kontinuerlig mekanisk omrøring over natten. Løs opp 1 g PVA i 10 mL destillert vann og rør ved 80 ° c i 1 time. Bland begge løsninger 1:1 ved hjelp av en magnetisk rører til de er homogen ved romtemperatur, og hell blandinger på Petri retter. La prøvene for 2 timer ved atmosf…

Representative Results

Hydrogeler forberedelseChitosan-PVA-hydrogeler ble innhentet ved-4 ° c,-20 ° c og-80 ° c med 4 fryse sykluser og ved-80 ° c med 5 og 6 fryse sykluser av den tidligere rapporterte fryse-tine metoden2. Alle hydrogeler var homogene, halvt gjennomsiktige, fleksible og motstandsdyktige mot manipulasjon. FT-IR karakteriseringFT-IR Spectra er vist i <strong class="xf…

Discussion

Den fryse-tine metoden er en egnet prosess for å forberede biokompatible hydrogeler fokusert på biomedisinsk, farmasøytiske eller kosmetiske applikasjoner34,35,36. Den viktigste fordelen med denne metoden, sammenlignet med andre kjente metoder for å forberede hydrogeler, er at Cross Linking agent bruk unngås, noe som kan føre til en inflammatorisk respons eller bivirkninger i menneskekroppen34. Dett…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfattere er takknemlige for C. Luzuriaga for støtten i porosimetry målinger. Forfattere også takk til Ministerio de Economía y Competitividad av Spania for økonomisk støtte (Project MAT2014-59116-C2-2-R) og PIUNA (Ref. 2018-15). Forfatterne også ønsker å erkjenne Dr. Amir Maldonado fra Departamento de Física-kor for støtte og nyttige kommentarer og Dr. SE Burruel-Ibarra fra DIPM-kor for SEM bilder og Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. for økonomisk støtte. ME Martínez-Barbosa takker CONACyT (México) prosjekter no. 104931 og no. 256753, foruten økonomisk støtte fra Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de Redes Temáticas and del CONACyT. Og, også prosjektet USO316001081. MD Figueroa-Pizano ønsker å erkjenne CONACyT for økonomisk støtte (stipend 373321).

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

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, a. M., Aly, a. S., Hrdina, R., Montaser, a. S., 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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video