एक फ्रीज-विगल विधि चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल ्सकोलिंकिंग एजेंटों और डिफ्लिनियल रिलीज स्टडीज के बिना तैयार करने के लिए

Bioengineering

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Summary

ठंड-विगलन विधि का उपयोग बिना लिंकिंग एजेंटों के चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इस विधि के लिए, ठंड की स्थिति (तापमान, चक्रों की संख्या) और बहुलक अनुपात पर विचार करना महत्वपूर्ण है, जो प्राप्त हाइड्रोगेल के गुणों और अनुप्रयोगों को प्रभावित कर सकता है।

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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).

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Abstract

चिटोसन-पॉली (विनाइल अल्कोहल) हाइड्रोगेल विषाक्त क्रॉसलिंकिंग एजेंटों का उपयोग किए बिना फ्रीज-विगल विधि द्वारा उत्पादित किया जा सकता है। इन प्रणालियों के अनुप्रयोग उनकी विशेषताओं (उदाहरण के लिए, porosity, लचीलापन, सूजन क्षमता, दवा लोडिंग और दवा रिलीज क्षमता) द्वारा सीमित हैं, जो ठंड की स्थिति और बहुलक के प्रकार और अनुपात पर निर्भर करते हैं। इस प्रोटोकॉल में बताया गया है कि 50/50 w/w% बहुलक संरचना पर चितोसन और पॉली (विनाइल अल्कोहल) से हाइड्रोगेल कैसे तैयार किया जाए और ठंड के तापमान (-4 डिग्री सेल्सियस, -20 डिग्री सेल्सियस, -80 डिग्री सेल्सियस) और फ्रीज-विगिंग चक्र (4, 5, 6 फ्रीजिंग चक्र) को अलग किया जाए। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा, एसईएम माइक्रोग्राफ और हाइड्रोगेल के पोरोसिमेट्री डेटा प्राप्त किए गए थे। साथ ही सूजन क्षमता और दवा लोडिंग और डिफ्लिनल की रिहाई का भी आकलन किया गया। एसईएम माइक्रोग्राफ और पोरोसिमेट्री के परिणाम बताते हैं कि ताकना का आकार कम हो जाता है, जबकि पोरोसिटी कम तापमान पर बढ़ जाती है। मामूली ठंड के तापमान पर सूजन प्रतिशत अधिक था । हाइड्रोजेलसे डिफ्लनिसाल की रिहाई का अध्ययन किया गया है। सभी नेटवर्क 30 घंटे के लिए दवा रिलीज को बनाए रखते हैं और यह देखा गया है कि एक साधारण प्रसार तंत्र कोरस्मेयर-पेप्पास और हिगुची मॉडलों के अनुसार डिफ्लोरिसाल रिलीज को नियंत्रित करता है।

Introduction

हाल ही में, हाइड्रोगेल ने जैव चिकित्सा क्षेत्र में बहुत रुचि दिखाई है क्योंकि वे उच्च जल सामग्री के साथ तीन आयामी नेटवर्क हैं और नरम और लचीले हैं, इसलिए वे प्राकृतिक ऊतकों की आसानी से नकल कर सकते हैं1। इसके अलावा, वे शारीरिक तापमान और पीएच पर जलीय माध्यम में भंग नहीं करते हैं, लेकिन एक बड़ी सूजन2पेश करते हैं। हाइड्रोगेल ऊतक इंजीनियरिंग मचान, स्वच्छता उत्पादों, संपर्क लेंस, और घाव ड्रेसिंग के रूप में कार्य कर सकते हैं; क्योंकि वे जाल और सक्रिय यौगिकों और दवाओं जारी कर सकते हैं, वे दवा वितरण सिस्टम3के रूप में उपयोग किया जाता है . उनके आवेदन के आधार पर, हाइड्रोगेल प्राकृतिक या सिंथेटिक पॉलिमर, या दोनों के संयोजन से बनाया जा सकता है, ताकि सबसे अच्छी विशेषताओं को प्राप्त किया जासके।

हाइड्रोजेल के गुण कई भौतिक और रासायनिक कारकों का परिणाम हैं। भौतिक स्तर पर, उनकी संरचना और आकृति विज्ञान उनकी पोरोसिटी, पोर आकार और पोर वितरण5पर निर्भर करती है। रासायनिक और आणविक स्तर पर, बहुलक प्रकार, बहुलक श्रृंखला में हाइड्रोफिलिक समूह सामग्री, क्रॉसलिंकिंग पॉइंट प्रकार, और क्रॉस-लिंकिंग घनत्व वे कारक हैं जो सूजन क्षमता और यांत्रिक गुणोंको 6,7निर्धारित करते हैं।

नेटवर्क बनाने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले क्रॉसलिंकिंग एजेंट के प्रकार के अनुसार, हाइड्रोगेल को रासायनिक हाइड्रोगेल या भौतिक हाइड्रोगेल के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। रासायनिक हाइड्रोगेल उनकी जंजीरों के बीच सहसंयोजक बातचीत से जुड़े होते हैं, जो यूवी और गामा विकिरण के माध्यम से बनते हैं या क्रॉसलिंकिंग एजेंट7,8का उपयोग करते हैं। रासायनिक हाइड्रोगेल आमतौर पर मजबूत और प्रतिरोधी होते हैं लेकिन आम तौर पर, क्रॉसलिंकिंग एजेंट कोशिकाओं के लिए विषाक्त होता है और इसका निष्कासन मुश्किल होता है, इसलिए इसका आवेदन सीमित होता है। दूसरी ओर, भौतिक हाइड्रोगेल गैर-सहसंयोजक बातचीत के माध्यम से बहुलक श्रृंखलाओं के कनेक्शन से बनते हैं, जो क्रॉसलिंकिंग एजेंटों4,9के उपयोग से बचते हैं। नेटवर्क में मुख्य गैर-सहसंयोजक बातचीत हाइड्रोफोबिक इंटरैक्शन, इलेक्ट्रोस्टैटिक फोर्सेज, पूरक और हाइड्रोजन सीमा7हैं।

पॉली (विनाइल अल्कोहल) (पीवीए, चित्रा 1ए)उत्कृष्ट यांत्रिक प्रदर्शन और बायोकॉम्पिटीबिलिटी के साथ एक सिंथेटिक और पानी में घुलनशील बहुलक है जो फ्रीज-विगलन विधि10,11के माध्यम से क्रॉसलिंक एजेंट-मुक्त हाइड्रोगेल से कर सकता है। इस बहुलक में अपनी श्रृंखलाओं (क्रिस्टलीय क्षेत्रों) के -ओह समूहों के बीच हाइड्रोजन बांड के केंद्रित क्षेत्र बनाने की क्षमता है जब वे12को फ्रीज कर रहे हैं। ये क्रिस्टलीय क्षेत्र नेटवर्क में क्रॉसलिंकिंग पॉइंट्स के रूप में कार्य करते हैं, और उन्हें दो घटनाओं द्वारा बढ़ावा दिया जाता है: पॉलीमर चेन के आने पर क्रिस्टल पानी फैलता है और फ्रीज13के दौरान आइसोटैक्टिक से सिंडिओटैक्टिक पीवीए में पीवीए संरचना परिवर्तन होता है। फ्रीज-सुखाने के कारण, पानी के क्रिस्टल को उदात्त किया जाता है, जिससे शून्य रिक्त स्थान हो जाता है जो हाइड्रोगेल14में छिद्र होते हैं। बेहतर गुणों के साथ हाइड्रोगेल प्राप्त करने के लिए, पीवीए को आसानी से अन्य बहुलकके साथ जोड़ा जा सकता है।

इस अर्थ में, चिटोसन एक विकल्प का गठन करता है क्योंकि यह सकारात्मक शुल्क के साथ प्राकृतिक स्रोतों से एकमात्र बायोपॉलिमर है। यह चिटिन के डिसेटाइलेशन द्वारा प्राप्त किया जाता है और यह 1,4 लिंक्ड डी-ग्लूकोसामाइन (डिसेटिलेटेड यूनिट) और एन-एसिटिल-डी-ग्लूकोसामाइन (एसिटिलेटेड यूनिट)15,16(चित्रा 1बी)के यादृच्छिकसंयोजनों से बना है। चिटोसन मानव एंजाइमों द्वारा बायोडिग्रेडेबल है और यह जैव संगत है। इसके अलावा, इसकी सीनिक प्रकृति से, यह सेल सतह के नकारात्मक आवेश के साथ बातचीत कर सकता है, और यह संपत्ति इसकी रोगाणुरोधी गतिविधि17से जुड़ी हुई है। इस बहुलक को संसाधित करने के लिए आसान है; हालांकि, उनके यांत्रिक गुण पर्याप्त नहीं हैं और बेहतर विशेषताओं के साथ परिसरों के रूप में कुछ सामग्री जोड़ी गई है।

चिटोसन और पीवीए की विशिष्ट विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए, जहरीले क्रॉसलिंकिंग एजेंटों के उपयोग से बचने के लिए फ्रीज-विगलन विधि2,18 द्वारा हाइड्रोगेल का सफल निर्माण किया गया है। चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल में, पीवीए के क्रिस्टलीय क्षेत्र भी बनते हैं, और चिटोसन श्रृंखलाएं परस्पर प्रवेश ित होती हैं और पीवीए में -एनएच2 समूहों और -ओह समूहों के साथ सरल हाइड्रोजन बांड बनाती हैं। अंतिम चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल यांत्रिक रूप से स्थिर है, जिसमें सूजन और कम विषाक्तता की उच्च दरें हैं, और जीवाणुरोधी प्रभाव18के साथ। हालांकि, तैयारी (तापमान, समय और चक्रों की संख्या) में उपयोग की जाने वाली ठंड की स्थिति के आधार पर, अंतिम विशेषताएं बदल सकती हैं। कुछ अध्ययनों में बताया गया है कि ठंड चक्रों की संख्या बढ़ने से सूजन की मात्रा कम हो जाती है और तन्य शक्ति19,20बढ़ जाती है . नेटवर्क को मजबूत करने के लिए,21,22,23को फ्रीज-गल तैयारी के बाद गामा और यूवी विकिरण और रासायनिक क्रॉसलिंकर्स जैसे अन्य एजेंटों का अतिरिक्त उपयोग किया गया है। उच्च चिटोसन अनुपात वाले हाइड्रोगेल में अधिक असुरक्षित नेटवर्क और उच्च सूजन क्षमता होती है लेकिन कम ताकत और थर्मल स्थिरता होती है। इस संदर्भ में, अपने लक्ष्य आवेदन के लिए उपयुक्त हाइड्रोजेल प्राप्त करने के लिए तैयारी की शर्तों पर विचार करना महत्वपूर्ण है।

इस काम का उद्देश्य विस्तार से प्रस्तुत करना है कि ठंड की स्थिति (ठंड का तापमान और चक्रों की संख्या) सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल की अंतिम विशेषताओं को कैसे प्रभावित करती है। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा, रूपात्मक और पोरोसिटी विशेषताओं और सूजन क्षमता का मूल्यांकन किया गया, साथ ही दवा लोडिंग और रिलीज क्षमता का मूल्यांकन किया गया। रिलीज अध्ययनों में, हाइड्रोजेल संरचना के लिए उपयुक्त इसके आकार के कारण, डिफ्लिनसल(चित्रा 1सी)का उपयोग मॉडल दवा के रूप में किया गया था।

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Protocol

1. चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल की तैयारी

  1. 2% (w/w) चिटोसन और 10% (w/w) पीवीए समाधान तैयार करें । 0.1 एम सीएच3COOH समाधान (पहले फ़िल्टर) कमरे के तापमान पर 10 मिलीग्राम में चिटोसन के 0.2 ग्राम भंग करें और रात भर निरंतर यांत्रिक सरगर्मी बनाए रखें। आसुत पानी के 10 मिलीग्राम में पीवीए के 1 ग्राम भंग और 1 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर हलचल।
  2. दोनों समाधान मिलाएं 1:1 एक चुंबकीय उभारा का उपयोग करके जब तक वे कमरे के तापमान पर सजातीय न हों, और पेट्री व्यंजनों पर मिश्रण डालें। नमूनों को वायुमंडलीय दबाव में 2 घंटे के लिए छोड़ दें।
  3. हाइड्रोजेल को क्रमशः -4 डिग्री सेल्सियस, -20 डिग्री सेल्सियस या -80 डिग्री सेल्सियस (क्रमशः सीसीपी4-4, सीपी4-20 और सीपी4-80) के लिए फ्रीज करें। 5 या 6 फ्रीजिंग चक्र (नमूने CP5-80 और CP6-80) का उपयोग करके 20 घंटे के लिए -80 डिग्री सेल्सियस पर एक और हाइड्रोजेल फ्रीज करें। तीसरे ठंड चक्र के बाद, हाइड्रोगेल को डिओनाइज्ड पानी से धोलें। अंत में, 48 एच के लिए - 46 डिग्री सेल्सियस पर हाइड्रोगेल को फ्रीज-ड्राई करें और आगे लक्षण वर्णन के लिए स्टोर करें (कार्यप्रणाली2से अनुकूलित)।

2. एफटी-आईआर लक्षण वर्णन

  1. एटीआर मोड में एफटी-आईआर स्पेक्ट्रोमीटर में हाइड्रोजेल का थोड़ा टुकड़ा (1 एमएम x 2 मिमी) रखें। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा को 4000 से 600 सेमी-1 (2 सेमी-1 संकल्प का और औसत 32 स्कैन) लें।

3. सूजन परख

  1. हाइड्रोजेल से डिस्क (व्यास में 13 मिमी और ऊंचाई में 10 मिमी) को काट ें और उनका वजन करें। 25 डिग्री सेल्सियस पर मिलाते हुए के साथ deionized पानी के 50 मिलील में डिस्क इनक्यूबेट। तीन बार दोहराएं।
  2. हर 30 मिन पानी की अधिकता को खत्म करने के लिए मीडियम, ब्लॉटर से सैंपल निकालते हैं और वजन करते हैं। समीकरण 1 का उपयोग कर सूजन की डिग्री की गणना Equation 1 करें और समीकरण 2 का उपयोग करके 24 घंटे में सूजन की संतुलन स्थिति की गणना करें।
    Equation 2)
    ड्राई Equation 3 हाइड्रोजेल का वजन कहां Equation 4 है और वेट हाइड्रोजेल का वजन है।
    Equation 5

4. इलेक्ट्रॉनिक माइक्रोस्कोपी

  1. एक स्पंदन कोटर में एक पतली सोने की परत (30 एस और 10 एमए) के साथ हाइड्रोगेल का एक छोटा सा टुकड़ा कवर करें।
  2. सैंपल को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) में डाल दें। 20 केवी में वैक्यूम के तहत नमूनों का विश्लेषण करें और 500x और 1500x आवर्धन के साथ छवियों को लें।

5. पोरोसिमेट्री

  1. पेनेट्रोमीटर (एक ठोस पेनेट्रोमीटर, जिसमें 0.3660 मीटर और स्टेम वॉल्यूम के 5.7831 मीटर की थोक मात्रा होती है) में लगभग 0.26 ग्राम वजनी व्यास में 15 मिमी डिस्क रखें। बुध घुसपैठ पोरोसिमेट्री (एमआईपी) द्वारा पोरोसिटी और पोर आकार का विश्लेषण करें।
  2. हिस्टीरेसिस मोड (घुसपैठ-निष्कासन) में प्रयोग का संचालन करें। कुल घुसपैठ की मात्रा (mL/g), कुलपोर क्षेत्र (एम 2/जी), पोर व्यास (μm), porosity (%), परगम्यता (mDarcy) और tortuosity उपाय । दो बार दोहराएं।

6. दवा लोडिंग और रिलीज

  1. लोड करने से पहले, 15 मिलीग्राम/एल डिफ्लिनल समाधान के 4 एल तैयार करें और रात भर हिलाएं। यूवी-विस स्पेक्ट्रोस्कोपी (प्रारंभिक एकाग्रता) द्वारा समाधान की एकाग्रता की पुष्टि करें। दरअसल, 24 घंटे के लिए आसुत पानी के 6 मिलीग्राम में हाइड्रोजेल के 400 मिलीग्राम फ्रीज-सूखे नमूने फूल जाते हैं।
  2. लोडिंग के लिए, डिफ्लिनियल सॉल्यूशन के 50 mL के साथ एक फ्लास्क भरें और लगातार सरगर्मी के साथ 25 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखें। फ्लास्क में प्रत्येक फूल हाइड्रोजेल जलमग्न।
    1. वक्र के पठार क्षेत्र को निर्धारित करने के लिए विभिन्न समयों पर शेष डिफ्लिनस सॉल्यूशन (2 एल) के एलिकोट्स लें, उदाहरण के लिए: 3, 6, 24, 27, 30 और 48 एच। 24 घंटे के बाद समाधान को नए सिरे से बदल ें।
  3. प्रत्येक एलिकोट के 252 एनएम पर अवशोषण को मापें, और डिफ्लिनीस के अंशांकन वक्र का उपयोग करके समाधान में मौजूद डिफ्लिनस की एकाग्रता निर्धारित करें। कुल मात्रा (56 एमएएल) को ध्यान में रखते हुए, प्रारंभिक और अंतिम सांद्रता के अंतर के रूप में, 24 और 48 घंटे में हाइड्रोजेल में बनाए गए डिफ्लिनस की मात्रा की गणना करें।
    1. समीकरण 3 का उपयोग करके एन्कैप्सुलेशन दक्षता (ईई) निर्धारित करें।
      Equation 6
    2. लोडेड हाइड्रोगेल को -80 डिग्री सेल्सियस पर फ्रीज करें और उन्हें -50 डिग्री सेल्सियस पर लिओफिलाइज करें।
  4. दवा छोड़ने के लिए, 25 डिग्री सेल्सियस पर फॉस्फेट बफर (पीएच 7.4) के 50 मिलीग्राम में 300 मिलीग्राम फ्रीज-सूखे डिफ्लिनस लोडेड हाइड्रोगेल को जलमग्न करें। लगातार सरगर्मी बनाए रखें। अलग-अलग समय पर 2 एमएल के एलिकोट वापस लें और लगातार वॉल्यूम रखने के लिए फ्रेश मीडियम से बदलें।
    1. डिफ्लोरिसाल का निर्धारण एक अंशांकन वक्र के अनुसार, २५२ एनएम पर स्पेक्ट्रोफोटोमेट्रिकल रूप से जारी किया गया ।
  5. काइनेटिक(कश्मीर)और प्रसार(एन)स्थिरांक प्राप्त करने के लिए, पहले 60% के अनुरूप दवा रिलीज डेटा को समायोजित करने वाले हाइड्रोगेल में प्रमुख दवा रिलीज तंत्र को कम करें। एन मूल्य दवा रिलीज24,25के तंत्र का संकेत देते हैं । फिर, एन मूल्यों के करीब ०.५ Fickian प्रसार से संबंधित हैं, इस बीच असंगत परिवहन के लिए 0.5-1.0 के मूल्यों, जहां प्रसार और विश्राम श्रृंखला शामिल हैं, और अंत में, १.० के मूल्यों के मामले द्वितीय परिवहन से संबंधित हैं ।
    Equation 7
    1. परिणामों की पुष्टि करने के लिए, हिगुची, पहला ऑर्डर और शून्य क्रम गणितीय मॉडल (समीकरण 5 से 7) का उपयोग करें और बेहतर फिट का चयन करें।
    2. Equation 8
      Equation 9
      Equation 10
      जहां टी रिलीज के समय का प्रतिनिधित्व करता है, मीट्रिक टन एक दिए गए समय पर दिया दवा की मात्रा, और एमकी प्रक्रिया के अंत में दिया दवा की कुल राशि

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Representative Results

हाइड्रोगेल तैयारी
चितोसन-पीवीए हाइड्रोगेल -4 डिग्री सेल्सियस, -20 डिग्री सेल्सियस और -80 डिग्री सेल्सियस पर 4 फ्रीजिंग चक्र ों के साथ और पहले रिपोर्ट किए गए फ्रीज-विगलन विधि2द्वारा 5 और 6 फ्रीजिंग चक्रों के साथ -80 डिग्री सेल्सियस प्राप्त किए गए थे। सभी हाइड्रोगेल सजातीय, अर्ध-पारदर्शी, लचीले और हेरफेर के खिलाफ प्रतिरोधी थे।

एफटी-आईआर लक्षण वर्णन
एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा को फिगर 2में दिखाया गया है । चिटोसन और पीवीए पॉलिमर के सात विशेषताओं के संकेतों का पता लगाया गया: 3286 सेमी-1 पर पीवीए हाइड्रोक्सिल समूह (-ओह) के खींच कंपन मोड और 2918 सेमी-1 पर - सीएच समूह26,27का खींच कंपन मोड। अमाइड समूहों के संकेत, चिटोसन संरचना के प्रतिनिधि, 1652 सेमी-1 में सी = ओ (एमिदे I) के खिंचाव कंपन मोड के लिए 1560 सेमी-1 पर एन-एच (माइडे II) के फ्लेक्शन कंपन मोड और 1325 सेमी-1 को अमाद III28,29,30के कंपन के लिए पाए गए। अन्य संकेतों, सी-एच के फ्लेक्शन कंपन मोड के लिए 1418 सेमी-1 पर और 1086 सेमी-1 पर सी-ओ समूहों के खींच कंपन मोड के लिए, दोनों पीवीए,27,31,32का पता चला।

इलेक्ट्रॉनिक माइक्रोस्कोपी
सभी सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल ने एक अत्यधिक असुरक्षित सतह(चित्रा 3,बाएं से दाएं) दिखाई और तैयारी की स्थिति के अनुसार विशिष्ट परिवर्तन देखे गए। -4 डिग्री सेल्सियस (सीपी4-4) पर तैयार हाइड्रोगेल ने -80 डिग्री सेल्सियस (CP4-80) पर तैयार हाइड्रोगेल की तुलना में बड़े छिद्र प्रस्तुत किए। इसके अलावा, बाद में एक अधिक असुरक्षित नेटवर्क प्रतीत होता है । यह प्रभाव इस तथ्य के कारण हो सकता है कि, कम तापमान पर, पानी क्रिस्टल गठन तेज था और कई छोटे क्रिस्टल उभरे और फ्रीज-सुखाने की प्रक्रिया के दौरान उदात्त थे, शून्य छिद्रोंको 14,33छोड़ दिया गया था। इस बीच, ठंड चक्र की संख्या का प्रभाव हाइड्रोगेल CP6-80(चित्रा 3,ऊपर से नीचे) में अधिक परिभाषित और परिपत्र छिद्रों को बढ़ावा देने लगता है।

पोरोसिमेट्री
नमूने CP4-4, CP4-80 और CP6-80 अधिक स्पष्ट परिवर्तन प्रस्तुत; आकृति विज्ञान के बारे में जानकारी के पूरक के लिए, उनका विश्लेषण एमआईपी(टेबल 1)द्वारा किया गया था। हाइड्रोगेल CP4-4 और CP4-80(चित्रा 3ए)के बीच तुलना से पता चला है कि, ठंड के कम तापमान पर, हाइड्रोगेल ने एक अधिक असुरक्षित नेटवर्क विकसित किया, जिसने एक बड़े कुल घुसपैठ की मात्रा और उच्च कुल पोर क्षेत्र प्रस्तुत किया। हालांकि, हाइड्रोगेल CP6-80 CP4-80(चित्रा 3बी)की तुलना में कम सामर्थ्य दिखाया, शायद उनके उच्च कष्टके कारण, जो कम कुल घुसपैठ की मात्रा में भी परिलक्षित हुआ था । चित्रा 3 इन हाइड्रोगेल के विभिन्न ताकना आकार प्रस्तुत करता है। दो ताकना आकार प्रतिष्ठित थे, एक 0.3-5.0 माइक्रोन के बीच और अन्य 5.0-30 माइक्रोन के बीच। हाइड्रोगेल CP4-80 और CP6-80 में, असुरक्षित नेटवर्क में सीपी 4-4 हाइड्रोजेल की तुलना में बड़े लोगों की तुलना में छोटे छिद्रों की अधिक संख्या थी। ये परिणाम एसईएम माइक्रोग्राफ द्वारा देखे गए लोगों के समान थे और सुझाव दिया कि, कम तापमान पर पीवीए श्रृंखलाओं के बीच अधिक बातचीत इष्ट थी और अधिक क्रिस्टलीय क्षेत्र बनाए गए थे। ऐसे में पीवीए चेन द्वारा क्रिस्टलीय जोन बनाने को कम तापमान पर प्रेरित किया गया।

सूजन परख
सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल के सूजन व्यवहार को चित्र4में देखा जा सकता है । वे जल्दी से पानी की बड़ी मात्रा में अवशोषित; पहले 5 घंटों के लिए उन्होंने अपना वजन 10x बनाए रखा, और 20 घंटों के बाद वे अपने वजन (संतुलन बिंदु) को 15x तक बनाए रखते हैं। हालांकि, ठंड चक्र की एक ही संख्या में तैयार हाइड्रोगेल के संबंध में, हाइड्रोजेल CP4-80 ने पहले 5 घंटों में कम सूजन क्षमता दिखाई, जिसका उपयोग इसकी तैयारी (-80 डिग्री सेल्सियस) के लिए किया गया था। विभिन्न संख्या में फ्रीजिंग चक्र (सीपी4-80, सीपी5-80 और सीपी6-80) पर तैयार हाइड्रोजेल के मामले में किसी भी समय कोई मतभेद नहीं पाया गया। संभवत, -80 डिग्री सेल्सियस पर तैयार हाइड्रोगेल में देखी गई सूजन क्षमता हाइड्रोगेल नेटवर्क के छोटे पोर आकार के कारण हुई।

दवा लोडिंग और रिलीज
दवा वितरण प्रणाली के रूप में सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल की क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए, विरोधी भड़काऊ दवा डिफ्लिनस नेटवर्क में लोड किया गया था और बाद में जारी किया गया था । इन सभी प्रणालियों में एन्कैप्सुलेशन दक्षता (ईई) लगभग 70% थी; हालांकि, CP4-80 हाइड्रोजेल ने 73%(टेबल 2)पर अधिक थोड़ा ईई प्रस्तुत किया। इस बीच, सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल से डिफ्लिनल के जारी काइनेटिक्स को सभी मामलों में लगभग 30 घंटे तक बनाए रखा गया था। CP4-80 हाइड्रोजेल डिफ्लिनस(चित्रा 5)की सबसे अधिक राशि जारी की । यह इस तथ्य के कारण हो सकता है कि इस हाइड्रोजेल ने अन्य दो प्रकार के हाइड्रोजेल की तुलना में अधिक असुरक्षित संरचना दिखाई। इस सुविधा ने दवा के छोटे अणु को आसानी से हाइड्रोजेल नेटवर्क में प्रवेश करने की अनुमति दी और फिर, जारी किया जा सकता है । CP4-80 और CP6-80 हाइड्रोजेल के बीच रिलीज के समय(चित्रा 6)के दौरान मतभेद नहीं देखे गए । किसी भी सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल में कोई फट प्रभाव नहीं देखा गया, जो दवा अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक है। सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल में मुख्य रिलीज तंत्र निर्धारित करने के लिए गणितीय मॉडल का उपयोग किया गया था। परिणामों को विभिन्न गणितीय मॉडल(तालिका 3)में समायोजित किया गया था और एन मूल्यों के अनुसार, यह पाया गया कि फिक प्रसार दवा रिलीज प्रक्रिया पर हावी है।

Figure 1
चित्रा 1: पीवीए की रासायनिक संरचना(ए),चितोसन(बी)और डिफ्लिनसल(सी)कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: शुद्ध चिटोसन और पीवीए का एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा और, ठंड की विभिन्न स्थितियों पर तैयार चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: 1500x आवर्धन पर चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल के एसईएम माइक्रोग्राफ। चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल का पोर आकार वितरण: एक)हाइड्रोगेल ठंड के 4 चक्रों के साथ तैयार और -4 डिग्री सेल्सियस और -80 डिग्री सेल्सियस। ख)हाइड्रोगेल -80 डिग्री सेल्सियस और, 4 और 6 चक्रों पर तैयार किया गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल के सूजन काइनेटिक्स: एक)ठंड और बीके 4 चक्रों के साथ हाइड्रोगेल- 80 डिग्री सेल्सियस पर तैयार हाइड्रोगेल। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: हाइड्रोगेल सीपी 4-4 और CP4-80 के लिए एमजी(ए)औरEquation 11 माउंट/(बी) में डिफ्लिनस रिलीज प्रोफाइल । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6: डाइफ्लोरिसल ने हाइड्रोगेल सीपी4-80 और CP6-80 के लिए एमजी(ए)औरEquation 11 एमटी/(बी) में प्रोफाइल जारी किए । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

हाइड्रोगेल कुल घुसपैठ की मात्रा (mL/g) कुल पोर क्षेत्र(एम 2/जी) Porosity (%) स्थायित्व (mdarcy) टॉरटुओसिटी
सीपी4-4 5.16 10.19 67.13 132.43 10.46
सीपी4-80 7.36 15.14 85.95 151.16 5.83
सीपी6-80 6.69 12.86 84.82 129.28 12.2

तालिका 1: चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल की असुरक्षित संरचना के पोरोसिमेट्री पैरामीटर।

नमूना डिफ्लिनीस लोडेड डिफ्लिनस का विमोचन
एमजी/जी हाइड्रोजेल एनकैप्सुलेशन दक्षता (%) % लोड करने के लिए सम्मान जारी
सीपी4-4 3.05 ± 0.09 71 79 ± 3.33
सीपी4-80 3.22 ± 0.47 73 86 ± 0.4
सीपी6-80 3.19 ± 0.05 68 80 ± 3.9

तालिका 2: चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल के लिए एनकैप्सुलेशन और रिलीज क्षमता।

नमूना कोरस्मेयर-पेप्पास हिगुची पहला आदेश शून्य आदेश
केकेपी एक्स 102 एन आर2 कश्मीरएच एक्स 102 आर2 कश्मीर1 x 102 आर2 कश्मीर0 x 102 आर2
(मिन-एन) (मिन-0.5) (मिन-1) (मिन-1)
सीपी4-4 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
सीपी4-80 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
सीपी6-80 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
कश्मीर= गतिज स्थिर; n= प्रसार स्थिर।

तालिका 3: चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल से डिफ्लिनियल रिलीज के काइनेटिक पैरामीटर।

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Discussion

फ्रीज-विगलन विधि बायोमेडिकल, फार्मास्यूटिकल या सौंदर्य प्रसाधन अनुप्रयोगों34,35,36में केंद्रित जैव संगत हाइड्रोगेल तैयार करने के लिए एक उपयुक्त प्रक्रिया है। हाइड्रोगेल तैयार करने के अन्य प्रसिद्ध तरीकों की तुलना में इस विधि का सबसे महत्वपूर्ण लाभ यह है कि क्रॉसलिंकिंग एजेंट का उपयोग टाला जाता है, जो मानव शरीर34में भड़काऊ प्रतिक्रिया या प्रतिकूल प्रभाव पैदा कर सकता है। यह एक बहुमुखी विधि है क्योंकि यह पीवीए या उनके मिश्रण से विभिन्न बहुलक11,37 के साथ हाइड्रोगेल तैयार करने की संभावना प्रदान करता है, इस तरह से कि अन्य पॉलिमर से नई विशेषताओं को नई सामग्री (जैसे, पानी, रोगाणुरोधी या एंटीऑक्सीडेंट गुणों को अवशोषित करने की प्रमुख क्षमता2,18,35)में प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, यह विचार करना महत्वपूर्ण है कि अन्य पॉलिमर के समावेश से हाइड्रोगेल19,37की ताकत कम हो सकती है।

फ्रीज-विगलन विधि में विचार करने के लिए प्रमुख मापदंड ठंड का तापमान, ठंड चक्र का समय और संख्या, और पॉलीमर अनुपात (बहुलक मिश्रण के मामले में)2,19,20भी हैं। फ्रीज की स्थिति को नियंत्रित किए जाने पर सूजन, रूपात्मक और यांत्रिक गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला इस विधि के साथ प्राप्त की जा सकती है। ये पैरामीटर सीधे चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल में त्रि-आयामी नेटवर्क विन्यास को प्रभावित करते हैं क्योंकि ठंड की स्थिति पीवीए श्रृंखलाओं में व्यवस्थाओं को बढ़ावा देती है, जो भौतिक बातचीत से जुड़े होते हैं, जिन्हें क्रिस्टलीय क्षेत्र12,38कहा जाता है। ये क्रिस्टलीय क्षेत्र हाइड्रोजन बांड के केंद्रित क्षेत्र हैं जो हाइड्रोगेल में क्रॉसलिंकिंग पॉइंट्स के रूप में कार्य करते हैं, जो त्रि-आयामी नेटवर्क को बनाए रखते हैं और बनाते हैं और यह एक रिट्रैक्टर बल है जब हाइड्रोगेल सूजन अवस्था में होते हैं2,39,40।

इस अध्ययन में, हमने फ्रीज-विगलन तापमान (-4 डिग्री सेल्सियस, -20 डिग्री सेल्सियस और -80 डिग्री सेल्सियस) की एक नई श्रृंखला के प्रभाव का मूल्यांकन किया, जो 1:1 चितोसन-पीवीए हाइड्रोगेल तैयार करने के लिए ठंड चक्र (4, 5 और 6) की एक अलग संख्या के साथ संयुक्त है। सबसे कम सूजन क्षमता सबसे कम तापमान (-80 डिग्री सेल्सियस) पर देखी गई। दरअसल, इस सबसे कम तापमान पर हाइड्रोगेल छोटे छिद्रों और अधिक असुरक्षित नेटवर्क प्राप्त किया । चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल में ये अंतर दवा वितरण प्रणाली या मचान जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हैं। सामान्य तौर पर, चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल सूजन की उच्च दरें पेश करते हैं, चिटोसन हाइड्रोफिलिक समूहों (-एनएच2)41,42के कारण, और वे पीवीए विशेषताओं के कारण हेरफेर को संभालने और विरोध करने में आसान हैं। इस अर्थ में, फ्रीज-विगलन विधि विभिन्न गुणों के साथ चिटोसन-पीवीए हाइड्रोगेल का उत्पादन करने के लिए आसान, सस्ती और तेजी से है, विषाक्त क्रॉसलिंकिंग से परहेज करती है।

हालांकि फ्रीज-विगलन एक आसान और दोस्ताना तरीका है, इसमें कुछ कमियां हैं। इस मामले में, और बहुलक मिश्रण का एक पूर्ण समरूपता बहुत महत्वपूर्ण है। हाइड्रोगेल अधिक नाजुक क्षेत्र और एक अनियमित असुरक्षित संरचना पेश कर सकते हैं। इसके अलावा, चुंबकीय सरगर्मी के तहत 1 घंटे के लिए 70-80 डिग्री सेल्सियस42,43 पर गर्म करके पानी में पीवीए का सही विघटन करना आवश्यक है। पीवीए के ठोस परत के गठन को रोकने के लिए लगातार सरगर्मी के साथ इस पीवीए समाधान का ठंडा होना धीमा होना चाहिए।

सेल संस्कृति परखों के लिए इस विधि की एक सीमा, सफ़ेद या अर्धपारदर्शी हाइड्रोगेल का गठन है। इस मामले में, हाइड्रोगेल23,44की उपस्थिति में सुधार करने के लिए ग्लिसरोल या डीएमएसओ (कमरे के तापमान पर विषाक्त यौगिक) के आवेदन का उपयोग किया जा सकता है। सीएस-पीवीए हाइड्रोगेल तैयार करने के लिए फ्रीज-विगलन विधि का फ्रीज-सुखाने वाला कदम एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि हाइड्रोगेल मध्य क्षेत्र में एक कसना पेश कर सकते हैं, जो काम और लक्षण वर्णन को जटिल बनाता है। इससे बचने के लिए, नमूना को लाइओफिलाइजेशन से पहले पूरी तरह से फ्रीज रखा जाना चाहिए। दवा लोडिंग और रिलीज अध्ययनों के संबंध में, यह सुनिश्चित करना बहुत महत्वपूर्ण है कि हाइड्रोगेल घटकों और दवा से संकेतों के साथ कोई हस्तक्षेप नहीं है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक पोरोसिमेट्री माप में समर्थन के लिए सी लुज़ुरिगा के आभारी हैं। लेखकों ने वित्तीय सहायता (परियोजना MAT2014-59116-C2-2-R) और PIUNA (रेफरी 2018-15) के लिए स्पेन के मिनिस्टरियो डी ओविडिया वाई प्रतिस्पर्धी के लिए भी धन्यवाद। लेखक भी समर्थन और सहायक टिप्पणियों के लिए विदामेंटो डी Física-UNISON से डॉ अमीर माल्डोनाडो को स्वीकार करना चाहते है और डॉ एसई Burruel-Ibarra DIPM से-एक सुर से एसईएम छवियों के लिए और रूबियो फार्मा y Asociados एस डी सी वी वित्तीय सहायता के लिए । एमई मार्टिनेज-बारबोसा कोनासाइट (मेक्सीको) परियोजनाओं नंबर 104931 और नंबर 256753 का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं, इसके अलावा रेड टेमेरा डी नैनोसिएनसियास वाई नैनोटेक्नोलोजिया डेल प्रोग्रामा डी रेड टेम्साइटस डेल कॉनसिएट से वित्तीय सहायता। और, यह भी परियोजना USO316001081। एमडी फिगुरोआ-पिजानो वित्तीय सहायता (छात्रवृत्ति 373321) के लिए CONACyT स्वीकार करना चाहते हैं।

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

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References

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