Crosslinking Ajanlar ve Diflunisal Salınım Çalışmaları olmadan Chitosan-Poly(vinil alkol) Hydrogels hazırlamak için Bir Freeze-Eritme Yöntemi

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Donma-eritme yöntemi çapraz ajanlar olmadan chitosan-poly (vinil alkol) hidrojeller üretmek için kullanılır. Bu yöntem için, elde edilen hidrojellerin özelliklerini ve uygulamalarını etkileyebilecek donma koşulları (sıcaklık, çevrim sayısı) ve polimer oranı göz önünde bulundurulması önemlidir.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Chitosan-poly (vinil alkol) hidrojelleri toksik crosslinking ajanlar kullanmadan donma-eritme yöntemi ile üretilebilir. Bu sistemlerin uygulamaları, donma koşullarına ve polimerlerin türüne ve oranına bağlı olarak özellikleriyle (örn. gözeneklilik, esneklik, şişme kapasitesi, ilaç yükleme ve ilaç bırakma kapasitesi) sınırlıdır. Bu protokol, polimer bileşiminin %50/50 w/w'si ile chitosan ve poli(vinil alkol) hidrojellerin nasıl hazırlanacağını ve donma sıcaklığının (-4 °C, -20 °C, -80 °C) ve donma-erime döngülerinin (4, 5, 6 donma döngüsü) nasıl değiştirilmeye cereyonu yapılacağını açıklamaktadır. FT-IR spektrumları, SEM mikrografve hidrojellerin porosimetri verileri elde edildi. Ayrıca, şişme kapasitesi ve ilaç yükleme ve diflunisal salınımı değerlendirildi. SEM mikrograflar ve gözeneklilik sonuçları gözenek boyutunun azaldığını, gözenekliliğin ise daha düşük sıcaklıklarda arttığını göstermektedir. Küçük donma sıcaklığında şişme yüzdesi daha yüksekti. Hidrojellerden diflunisal salınımı incelenmiştir. Tüm ağlar için ilaç salınımını korumak 30 h ve basit bir difüzyon mekanizması Korsmeyer-Peppas ve Higuchi modellerine göre diflunisal salınımını düzenler gözlenmiştir.

Introduction

Son zamanlarda, hidrojeller biyomedikal alanda büyük ilgi çekti çünkü yüksek su içeriği ile üç boyutlu ağlar ve yumuşak ve esnek, bu yüzden kolayca doğal dokuları taklit edebilirsiniz1. Ayrıca, fizyolojik sıcaklık ve pH sulu ortamda çözünmez ama büyük bir şişlik mevcut2. Hydrogels doku mühendisliği iskeleler, hijyen ürünleri, kontakt lensler ve yara pansuman olarak hareket edebilir; onlar tuzak ve aktif bileşikler ve ilaçlar serbest çünkü, onlar ilaç dağıtımsistemleri3 olarak kullanılır. Onların uygulamasına bağlı olarak, hidrojeller doğal veya sentetik polimerler, ya da her ikisinin bir kombinasyonu yapılabilir, en iyi özellikleri elde etmek için4.

Hidrojellerin özellikleri birçok fiziksel ve kimyasal faktörün bir sonucudur. Fiziksel düzeyde, onların yapısı ve morfolojisi gözeneklilik bağlıdır, gözenek boyutu ve gözenek dağılımı5. Kimyasal ve moleküler düzeyde, polimer tipi, polimer zincirindeki hidrofilik grup içeriği, çapraz bağlantı noktası tipi ve çapraz bağlama yoğunluğu şişme kapasitesini ve mekanik özelliklerini belirleyen faktörlerdir6,7.

Ağı oluşturmak için kullanılan crosslinking ajan türüne göre, hidrojeller kimyasal hidrojeller veya fiziksel hidrojeller olarak sınıflandırılır. Kimyasal hidrojeller UV ve gama ışınlama yoluyla veya bir crosslinking ajankullanarakoluşturulan zincirleri arasında kovalent etkileşimler ile birleştirilir7 ,8. Kimyasal hidrojeller genellikle güçlü ve dayanıklıdır ancak genellikle çapraz bağlantı maddesi hücreler için toksiktir ve çıkarılması zordur, bu nedenle uygulaması sınırlıdır. Öte yandan, fiziksel hidrojeller non-kovalent etkileşimler yoluyla polimer zincirlerinin bağlantısı ile form, crosslinking ajanların kullanımı kaçınarak4,9. Ağdaki başlıca kovalent olmayan etkileşimler hidrofobik etkileşimler, elektrostatik kuvvetler, tamamlayıcıve hidrojen sınırları 7'dir.

Poli (vinil alkol) (PVA, Şekil 1a)mükemmel mekanik performans ve dondurulmuş erime yöntemi10ile crosslink agent-free hydrogels olabilir biyouyumluluk ile sentetik ve suda çözünür polimer 10,11. Bu polimer,12'yidondurduklarında zincirlerinin -OH grupları (kristal bölgeleri) arasında hidrojen bağlarının konsantre bölgeleri oluşturma kapasitesine sahiptir. Bu kristal bölgeleri ağda crosslinking noktaları olarak hareket, ve iki olay tarafından teşvik edilmektedir: kristal su genişler polimer zincirleriyaklaşan ve donma sırasında izotaktik gelen PVA konformasyonel değişiklikler13. Dondurularak kurutulması nedeniyle, su kristalleri süblimize edilir, hidrojel14gözenekleri olan boşluk bırakarak. Daha iyi özelliklere sahip hidrojeller elde etmek için, PVA kolayca diğer polimerler ile kombine edilebilir.

Bu anlamda, kitosan pozitif yükleri ile doğal kaynaklardan tek biyopolimer olduğu gibi bir seçenek oluşturmaktadır. Bu kitin deasetilasyonu ile elde edilir ve β-1,4 bağlantılı D-glukozamin rasgele kombinasyonları oluşur (deacetylated birim) ve N-asetil-D-glukozamin (asetil-d-glukozamin)15,16 (Şekil 1b). Chitosan insan enzimleri tarafından biyolojik olarak parçalanabilir ve biyouyumludur. Ayrıca, katyonik doğası gereği, hücre yüzeyinin negatif yükü ile etkileşime girebilirsiniz, ve bu özellik antimikrobiyal aktivitesi ile ilişkili olmuştur17. Bu polimerin işlenmesi kolaydır; ancak mekanik özellikleri yeterli değildir ve bazı malzemeler daha iyi özelliklere sahip kompleksler oluşturmak için eklenmiştir.

Chitosan ve PVA'nın belirli özellikleri göz önünde bulundurularak, toksik çapraz bağlantı ajanlarının kullanımını önlemek için2,18 nolu donma-eritmeyöntemiile hidrojellerin başarılı üretimine ulaşılmıştır. Chitosan-PVA hidrojellerinde PVA'nın kristal bölgeleri de oluşur ve kitosan zincirleri interinterintered ve PVA'da -NH2 grupları ve -OH grupları ile basit hidrojen bağları oluşturur. Son chitosan-PVA hidrojel mekanik olarak stabil, şişme ve düşük toksisite yüksek oranları ile, ve antibakteriyel etkisi ile18. Ancak, hazırlıkta kullanılan donma koşullarına (sıcaklık, zaman ve döngü sayısı) bağlı olarak, son özellikler değişebilir. Bazı çalışmalar, donma döngülerinin sayısını artırmanın şişme derecesini azalttığını ve çekme mukavemetini artırdığını bildiriyor19,20. Ağı güçlendirmek için, gama ve UV radyasyonu ve kimyasal crosslinkers gibi diğer ajanlar dondurulan hazırlık21,22,23sonra ayrıca kullanılmıştır. Daha yüksek chitosan oranına sahip hidrojeller daha gözenekli bir ağa ve yüksek şişme kapasitesine, ancak daha az mukavemet ve termal stabiliteye sahiptir. Bu bağlamda, hedef uygulama için uygun hidrojeller elde etmek için hazırlık koşulları göz önünde bulundurulmalıdır.

Bu çalışmanın amacı, donma koşullarının (donma sıcaklığı ve çevrim sayısı) CS-PVA hidrojellerinin nihai özelliklerini nasıl etkilediğini ayrıntılı olarak sunmaktır. FT-IR spektrumları, morfolojik ve gözeneklilik özellikleri ile şişme kapasitesi nin yanı sıra ilaç yükleme ve serbest bırakma kapasitesi değerlendirildi. Salınım çalışmalarında hidrojel yapısına uygun büyüklüğü nedeniyle diflunisal (Şekil 1c)model ilaç olarak kullanılmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Chitosan-PVA hidrojellerinin hazırlanması

  1. %2 (w/w) chitosan ve %10 (w/w) PVA çözeltisi hazırlayın. 0,2 g chitosan'ı 10 mL'lik 0,1 M CH3COOH çözeltisinde (önceden filtrelenmiş) oda sıcaklığında çözün ve gece boyunca sürekli mekanik karıştırmayı koruyun. 1 g PVA'yı 10 mL distile suda çözün ve 80 °C'de 1 saat karıştırın.
  2. Oda sıcaklığında homojen olana kadar manyetik karıştırıcı kullanarak her iki çözeltiyi 1:1 karıştırın ve karışımları Petri yemeklerinin üzerine dökün. Degas için atmosferik basınçta 2 saat için örnekleri bırakın.
  3. Hidrojelleri 20 saat ve 4 döngü için -4 °C, -20 °C veya -80 °C'de dondurun (sırasıyla CP4-4, CP4-20 ve CP4-80 örnekleri). 5 veya 6 donma çevrimi (CP5-80 ve CP6-80 örnekleri) kullanarak -80 °C'de 20 saat boyunca başka bir hidrojeli dondurun. Üçüncü donma döngüsünden sonra hidrojelleri deiyonize suyla yıkayın. Sonunda, hidrojelleri -46 °C'de 48 saat boyunca dondurun ve daha fazlakarakterizasyon için saklayın (2'den uyarlanmış metodoloji).

2. FT-IR karakterizasyonu

  1. ATR modunda FT-IR spektrometresinde küçük bir parça (1 mm x 2 mm) hidrojel yerleştirin. FT-IR spektrumlarını 4000'den 600cm-1'e (2 cm-1 çözünürlük ve ortalama 32 tarama) alın.

3. Şişme tahlilleri

  1. Hidrojelden diskleri (13 mm çapında ve 10 mm yüksekliğinde) kesin ve tartın. Diskleri 50 mL deiyonize su ile 25 °C'de titreyerek kuluçkaya yatırın. Üç kez tekrarlayın.
  2. Her 30 dakika orta örnek kaldırmak, su fazlalığı ortadan kaldırmak için leke, ve tartmak. 1. denklemi kullanarak şişme derecesini hesaplayın ve 24 saat lik şişme denge durumunu Equation 1 2 denklemini kullanarak hesaplayın.
    Equation 2)
    Nerede Equation 3 kuru hidrojel ağırlığı ve Equation 4 ıslak hidrojel ağırlığıdır.
    Equation 5

4. Elektronik Mikroskopi

  1. Bir fışkırtma kaplama ince bir altın tabaka (30 s ve 10 mA) ile hydrogel küçük bir parça kapağı.
  2. Örneği taramalı elektron mikroskobuna (SEM) koyun. 20 kV vakum altında örnekleri analiz ve 500x ve 1500x büyütme ile görüntüleri almak.

5. Porosimetry

  1. Çapı yaklaşık 0,26 g ağırlığındaki 15 mm'lik diskleri penetrometreye yerleştirin (0,3660 mL ve 5,7831 mL kök hacmine sahip katı bir penetrometre). Porozitve gözenek boyutunu Merkür İntrusion Porosimetry (MIP) ile analiz edin.
  2. Deneyi histeesis modunda (intrusion-ekstrüzyon) gerçekleştirin. Toplam izinsiz giriş hacmini (mL/g), toplam gözenek alanını (m2/g), gözenek çapını (μm), gözeneklilik (%), geçirgenliği (mDarcy) ve tortuosity ölçün. İki kez tekrarlayın.

6. İlaç yükleme ve serbest bırakma

  1. Yüklemeden önce 4 L 15 mg/L diflunisal çözelti hazırlayın ve bir gecede karıştırın. Çözeltinin konsantrasyonunun UV-Vis spektroskopisi (başlangıç konsantrasyonu) ile doğrulayın. Gerçekten de, 24 saat boyunca distile su 6 mL dondurulmuş kurutulmuş örnekleri 400 mg.
  2. Yükleme için bir şişeyi 50 mL diflunisal çözelti ile doldurun ve 25 °C'de sürekli karıştırma ile koruyun. Şişedeki her şişmiş hidrojeli batırın.
    1. Eğrinin plato bölgesini belirlemek için farklı zamanlarda kalan diflunisal çözeltinin (2 mL) aliquots alın, örneğin: 3, 6, 24, 27, 30 ve 48 h. 24 saat sonra çözeltiyi taze bir tane ile değiştirin.
  3. Her aliquot 252 nm emicilik ölçün ve diflunisal bir kalibrasyon eğrisi kullanarak, çözeltimevcut diflunisal konsantrasyonu belirlemek. Toplam hacmi (56 mL) dikkate alarak, ilk ve son konsantrasyonların farkı olarak, 24 ve 48 saat hidrojelde tutulan diflunisal miktarını hesaplayın.
    1. 3 denklemini kullanarak kapsülleme verimliliğini (EE) belirleyin.
      Equation 6
    2. Yüklü hidrojelleri -80 °C'de dondurun ve -50 °C'de lyophilize edin.
  4. İlaç salınımı için, 25 °C'de 50 mL fosfat tamponuna (pH 7.4) 300 mg dondurulmuş kurutulmuş diflunisal yüklü hidrojelleri batırın. Sürekli karıştırmayı koruyun. Farklı zamanlarda 2 mL'lik aliquot'ları çekin ve sabit bir hacim de tutmak için taze ortamla değiştirin.
    1. Bir kalibrasyon eğrisine göre, 252 nm'de spektrofotometrik olarak spektrofotometrik olarak salınan diflunisal'ı kesin olarak belirtin.
  5. Kinetik (k) ve difüzyon (n) sabitlerini elde etmek için, ilk %60'a karşılık gelen ilaç salınım verilerini Korsmeyer-Peppas modeline (Denklem 4) ayarlayan hidrojellerde baskın ilaç salınım mekanizmasını saptamak. N değerleri ilaç salınımmekanizmasını gösterir24,25. Daha sonra, 0.5'e yakın n değerleri Fickian difüzyonu ile ilgilidir, bu arada anormal taşıma için 0.5-1.0 değerleri, difüzyon ve gevşeme zincirleri dahil, ve son olarak, 1.0 değerleri vaka II taşıma ile ilgilidir.
    Equation 7
    1. Sonuçları onaylamak için Higuchi, First order ve Zero order matematiksel modellerini (Denklem 5'ten 7'ye kadar) kullanın ve daha uygun olanın seçeneğini belirleyin.
    2. Equation 8
      Equation 9
      Equation 10
      t serbest bırakma süresini temsil ettiği yerde, Mt belirli bir zamanda teslim edilen ilaç miktarı, ve M. sürecin sonunda teslim edilen toplam ilaç miktarı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hidrojeller hazırlama
Chitosan-PVA hidrojelleri daha önce bildirilen donma-eritme yöntemi2ile -4 °C, -20 °C ve -80 °C'de 4 donma döngüsü ile ve -80 °C'de 5 ve 6 donma döngüsü ile elde edilebildi. Tüm hidrojeller homojen, yarı saydam, esnek ve manipülasyona karşı dayanıklıydı.

FT-IR karakterizasyonu
FT-IR spektrumları Şekil 2'degösterilmiştir. Chitosan ve PVA polimerlerinin yedi karakteristik sinyali tespit edildi: 3286 cm-1 PVA hidroksil grubunun germe titreşim modu (-OH) ve 2918 cm-1 germe titreşim modu -CH grubu26,27. Kitosan yapının temsilcisi olan amid gruplarının sinyalleri 1652 cm-1'de C=O (amide I) germe titreşim moduna, 1560 cm-1'de N-H (amid II) ve 1325 cm-1'de amide III28,29,30titreşimine kadar bulunmuştur. Diğer sinyaller, 1418 cm-1 C-H fleksiyon titreşim modu ve 1086 cm-1 C-O gruplarının germe titreşim modu, Her iki PVA, tespit edildi27,31,32.

Elektronik Mikroskopi
Tüm CS-PVA hidrojelleri yüksek gözenekli bir yüzey(Şekil 3, soldan sağa) gösterdi ve hazırlık koşullarına göre belirgin değişiklikler gözlendi. -4 °C 'de (CP4-4) hazırlanan hidrojeller,-80 °C 'de (CP4-80) hazırlanan hidrojellerden daha büyük gözenekler sunar. Ayrıca, ikincisi daha gözenekli bir ağ var gibi görünüyor. Bu etki, düşük sıcaklıkta, su kristaloluşumu daha hızlı ve birçok küçük kristaller ortaya çıktı ve donma kurutma işlemi sırasında süblimize edildi gerçeği nedeniyle olabilir, boşluk gözenekleri bırakarak14,33. Bu arada, donma döngüleri sayısının etkisi hidrojeller CP6-80(Şekil 3, yukarıdan aşağıya) daha tanımlı ve dairesel gözenekleri teşvik gibi görünüyor.

Porosimetri
CP4-4, CP4-80 ve CP6-80 örnekleri daha belirgin değişiklikler sundu; morfoloji sorabilmek için MIP(Tablo 1)tarafından analiz edilmiştir. Hidrojeller CP4-4 ve CP4-80(Şekil 3a)arasındaki karşılaştırma, daha düşük bir donma sıcaklığında, hidrojellerin daha gözenekli bir ağ geliştirdiğini gösterdi, bu da büyük bir toplam saldırı hacmi ve daha yüksek toplam gözenek alanı sundu. Ancak, hidrojeller CP6-80 CP4-80 daha az geçirgenlik gösterdi(Şekil 3b),muhtemelen yüksek tortuosity nedeniyle, aynı zamanda daha düşük bir toplam saldırı hacmi yansıtılır. Şekil 3 bu hidrojellerin farklı gözenek boyutlarını sunar. Biri 0.3-5.0 μm, diğeri 5.0-30 μm arasında olmak üzere iki gözenek boyutu ayırt edildi. Hidrojeller CP4-80 ve CP6-80'de gözenekli ağ, CP4-4 hidrojelile karşılaştırıldığında büyük gözeneklere göre daha fazla sayıda küçük gözeneğe sahipti. Bu sonuçlar SEM mikrograflar tarafından gözlenenlere benzer ve daha düşük sıcaklıkta PVA zincirleri arasındaki daha fazla etkileşimin tercih edildiğini ve daha fazla kristal inantı oluştuğunu ileri sürmüştür. Bu şekilde, PVA zincirleri tarafından kristal bölgelerin oluşumu, düşük sıcaklıkta uyarıldı.

Şişme tahlilleri
CS-PVA hidrojellerinin şişme davranışı Şekil 4'tegörülebilir. Onlar hızla su büyük miktarda emilir; ilk 5 saat boyunca ağırlıklarını 10 kat, 20 saat sonra ise 15 kata kadar ağırlıklarını (denge noktası) muhafaza ederler. Ancak, aynı sayıda donma döngüsünde hazırlanan hidrojellerle ilgili olarak, hidrojel CP4-80, hazırlanmasında kullanılan sıcaklık (-80 °C) sonucunda ilk 5 saat içinde daha az şişme kapasitesi göstermiştir. Farklı sayıda donma döngüsünde (CP4-80, CP5-80 ve CP6-80) hazırlanan hidrojellerde herhangi bir fark saptanmadı. Muhtemelen -80 °C'de hazırlanan hidrojellerde gözlenen şişlik kapasitesinin azalması, hidrojel şebekesinin küçük gözenek boyutundan kaynaklanmıştır.

İlaç yükleme ve serbest bırakma
CS-PVA hidrojellerinin ilaç dağıtım sistemleri olarak kapasitesini değerlendirmek için, anti-inflamatuar ilaç diflunisal ağa yüklendi ve daha sonra serbest bırakıldı. Tüm bu sistemlerde kapsülleme verimi (EE) yaklaşık %70 idi; ancak CP4-80 hidrojel %73 oranında daha hafifEE(Tablo 2) sunulmuştur. Bu arada, CS-PVA hidrojelleri diflunisal serbest kinetik her durumda yaklaşık 30 saat muhafaza edildi. CP4-80 hidrojel en yüksek miktarda diflunisal(Şekil 5)serbest bırakılır. Bu hidrojel hidrojel diğer iki tip ile karşılaştırıldığında daha gözenekli bir yapı gösterdi aslında nedeniyle olabilir. Bu özellik, küçük ilaç molekülünün hidrojel ağına kolayca girmesini ve daha sonra serbest bırakılmasını sağladı. CP4-80 ve CP6-80 hidrojelleri arasında salınım zamanlarında farklılık gözlenmemiştir(Şekil 6). Farmasötik uygulamalar için umut verici olan CS-PVA hidrojellerinin hiçbirinde patlama etkisi gözlenmedi. CS-PVA hidrojellerinde ana salınım mekanizmasını belirlemek için matematiksel modeller kullanılmıştır. Sonuçlar farklı matematiksel modellere göre ayarlanmıştır(Tablo 3) ve n değerlerine göre, Fick difüzyonilaç serbest bırakma sürecine hakim olduğu bulunmuştur.

Figure 1
Şekil 1: PVA(a),chitosan (b) ve diflunisal (c)kimyasal yapısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Ft-IR spektrumları saf chitosan ve PVA ve chitosan-PVA hidrojelleri farklı donma koşullarında hazırlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: 1500x büyütme de chitosan-PVA hidrojellerin SEM mikrograflar. Chitosan-PVA hidrojellerinin gözenek boyutu dağılımları: a) 4 çevrim donma ve -4 °C ve -80 °C'de hazırlanmış hidrojeller. b)-80 °C ve 4 ve 6 devirlerde hazırlanan hidrojeller. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Chitosan-PVA hidrojellerinin şişme kinetiği: a) 4 çevrimli hidrojeller donma ve b) -80 °C'de hazırlanan hidrojeller. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Hidrojeller CP4-4 veCP4-80Equation 11 için mg ( a ) ve Mt/ (b)diflunisal salınım profilleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Hidrojeller CP4-80 ve CP6-80 için mg (a) ve Mt/Equation 11 (b)diflunisal salınım profilleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Hidrojölesi Toplam izinsiz giriş hacmi (mL/g) Toplam gözenek alanı (m2/g) Gözeneklilik (%) Geçirgenlik (mdarcy) Tortuosity
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

Tablo 1: Kitosan-PVA hidrojellerinin gözenekli yapısının gözenekli parametreleri.

Örnek Diflunisal yüklü Diflunisal serbest bırakıldı
mg/g hidrojel Kapsülleme verimi (%) % yüklü saygı serbest
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

Tablo 2: Chitosan-PVA hidrojelleri için kapsülleme ve serbest bırakma verimliliği.

Örnek Korsmeyer-Peppas Higuchi Birinci Sipariş Sıfır Sipariş
kKP x 102 n R2 kH x 102 R2 k1 x 102 R2 k0 x 102 R2
(dk-n) (dk-0,5) (dk-1) (dk-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= kinetik sabit; n= difüzyon sabiti.

Tablo 3: Chitosan-PVA hidrojellerinden diflunisal salınımın kinetik parametreleri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Donma-eritme yöntemi biyomedikal odaklı biyouyumlu hidrojeller hazırlamak için uygun bir süreçtir, ilaç veya kozmetik uygulamalar34,35,36. Bu yöntemin en önemli avantajı, hidrojeller hazırlamak için diğer iyi bilinen yöntemler ile karşılaştırıldığında, çapraz ajan kullanımı kaçınılmalıdır, hangi insan vücudunda inflamatuar yanıt veya yan etkilere neden olabilir34. Bu çok yönlü bir yöntemdir, çünkü pva veya farklı polimerler ile karışımları11,37 diğer polimerler yeni malzeme (örneğin, su emmek için büyük kapasite, antimikrobiyal veya antioksidan özellikleri2,18,35elde edilebilir şekilde hidrojeller hazırlamak için imkanı sunuyor. Ancak, diğer polimerlerin birleştirilmesi hydrogels19,37gücünü azaltabilir dikkate almak önemlidir.

Donma-eritme yönteminde göz önünde bulundurulması gereken başlıca parametreler donma sıcaklığı, donma döngülerinin sayısı ve ayrıca polimer oranı (polimer karışımları durumunda)2,19,20. Donma koşulları kontrol edildiğinde bu yöntemle çok çeşitli şişlik, morfolojik ve mekanik özellikler elde edilebilir. Donma koşulları fiziksel etkileşimler ile birleştirilir PVA zincirleri, kristal bölgeleri12,38olarak adlandırılan düzenlemeleri teşvik çünkü bu parametreler doğrudan chitosan-PVA hidrojellerde üç boyutlu ağ yapılandırmasını etkiler. Bu kristal bölgeleri hidrojeller crosslinking noktaları olarak hareket hidrojen bağları konsantre bölgeleri, korumak ve üç boyutlu ağ formu ve hidrojeller şişme durumda olduğunda bir retraktör kuvvetidir2,39,40.

Bu çalışmada, 1:1 chitosan-PVA hidrojelleri hazırlamak için farklı sayıda donma döngüsü (4, 5 ve 6) ile birlikte yeni bir buz çözme sıcaklığının (-4 °C, -20 °C ve -80 °C) etkisini değerlendirdik. En düşük şişme kapasitesi en düşük sıcaklıkta (-80 °C) gözlenmiştir. Gerçekten de, bu en düşük sıcaklıkta hidrojeller küçük gözenekleri ve daha gözenekli ağlar elde etti. Chitosan-PVA hidrojelleri bu farklılıklar ilaç dağıtım sistemleri veya iskeleler gibi farklı uygulamalar için yararlıdır. Genel olarak, chitosan-PVA hidrojelleri yüksek şişme oranları mevcut, nedeniyle kitosan hidrofilik gruplar (-NH2)41,42, ve yumuşak, esnek, kullanımı kolay ve PVA özellikleri nedeniyle manipülasyon karşı. Bu anlamda, donma-eritme yöntemi kolay, ucuz ve hızlı farklı özelliklere sahip chitosan-PVA hidrojelleri üretmek için, toksik crosslinking kaçınarak.

Donma-eritme kolay ve dostane bir yöntem olmasına rağmen, bazı dezavantajları vardır. Bu durumda kitosan ve polimer karışımlarının tam bir homojenizasyonu çok önemlidir. Hidrojeller daha kırılgan bölgeler ve düzensiz gözenekli bir yapı sunabilir. Ayrıca, 70-80 °C42,43 manyetik karıştırma altında 1 saat ısıtılarak suda PVA doğru bir çözünme yapmak gereklidir. Bu PVA çözeltisinin soğutulması, katı bir PVA tabakasının oluşmasını önlemek için sürekli karıştırma ile yavaş olmalıdır.

Bu yöntemin bir sınırlama, hücre kültürü tahlilleri için, beyazımsı veya yarı saydam hidrojeloluşumudur. Bu durumda, gliserol veya DMSO uygulaması (oda sıcaklığında toksik bileşik) hidrojel görünümünü iyileştirmek için kullanılabilir23,44. CS-PVA hidrojelleri hazırlamak için donma-eritme yönteminin donma-kurutma adımı kritik bir adımdır, çünkü hidrojeller orta bölgede bir daralma yaratabilir, bu da işi ve karakterizasyonu zorlaştırabilir. Bunu önlemek için, örnek liyofilizizasyon dan önce tamamen dondurulmuş tutulmalıdır. İlaç yükleme ve salınım çalışmaları ile ilgili olarak, hidrojel bileşenleri ve ilaç ölçülen sinyalleri ile hiçbir girişim olmadığından emin olmak için çok önemlidir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Yazarlar gözenekli ölçümlerde destek için C. Luzuriaga için müteşekkir. Yazarlar ayrıca Mali destek için İspanya Ministerio de Economía y Competitividad (Proje MAT2014-59116-C2-2-R) ve PIUNA (ref. 2018-15) sayesinde. Yazarlar ayrıca destek ve yararlı yorumlar için Departamento de Física-UNISON Dr Amir Maldonado ve DR SE Burruel-Ibarra DIPM-UNISON SEM görüntüleri ve Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. mali destek için kabul etmek istiyorum. ME Martínez-Barbosa CONACyT (México) projeleri No. 104931 ve No. 256753, Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de Redes Temáticas del CONACyT mali destek yanında teşekkür etmek istiyorum. Ve, aynı zamanda PROJE USO316001081. MD Figueroa-Pizano finansal destek (burs 373321) için CONACyT kabul etmek istiyorum.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics