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

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

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.

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 (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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. utarbeidelse av Chitosan-PVA hydrogeler

  1. 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.
  2. 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 atmosfærisk trykk til Degas.
  3. Frys hydrogeler ved-4 ° c,-20 ° c eller-80 ° c i 20 timer og 4 sykluser (prøvene CP4-4, CP4-20 og CP4-80, henholdsvis). Frys en annen hydrogel ved-80 ° c i 20 timer ved bruk av 5 eller 6 fryse sykluser (prøver CP5-80 og CP6-80). Etter den tredje fryse syklusen, vask hydrogeler med deionisert vann. På slutten, fryse-tørke hydrogeler ved-46 ° c for 48 h og lagre for ytterligere karakterisering (metodikk tilpasset fra2).

2. FT-IR karakterisering

  1. Plasser et lite stykke (1 mm x 2 mm) av hydrogel i FT-IR-spektrometer i ATR-modus. Ta FT-IR Spectra fra 4000 til 600 cm-1 (2 cm-1 av oppløsning og gjennomsnitt på 32 skanninger).

3. hevelse analyser

  1. Klipp ut plater (13 mm i diameter og 10 mm i høyden) fra hydrogel og veie dem. Ruge platene i 50 mL deionisert vann med risting ved 25 ° c. Gjenta tre ganger.
  2. Hver 30 min fjerne prøven fra mediet, blotter å eliminere overflødig vann, og veie. Beregn hevelse grad ved hjelp av ligningen 1 og beregne likevekt tilstand av hevelse, Equation 1 , ved 24 h ved hjelp av ligningen 2.
    Equation 2)
    Hvor Equation 3 er vekten av den tørre hydrogel og Equation 4 er vekten av den våte hydrogel.
    Equation 5

4. elektronisk mikroskopi

  1. Dekk et lite stykke hydrogel med et tynt gull lag (30 s og 10 mA) i en frese elektrostatisk.
  2. Sett prøven i et skanne elektronmikroskop (SEM). Analyser prøvene under vakuum ved 20 kV og ta bilder med en 500x og 1500x forstørrelse.

5. Porosimetry

  1. Plasser platene 15 mm i diameter som veier rundt 0,26 g inn i penetrometer (en fast penetrometer, som har et volum på 0,3660 mL og 5,7831 mL Stem volum). Analysere porøsitet og pore størrelse ved Mercury inntrenging Porosimetry (MIP).
  2. Gjennomføre eksperimentet i hysterese modus (inntrenging-ekstrudering). Mål det totale innbrudds volumet (mL/g), totalt pore område (m2/g), pore diameter (μm), porøsitet (%), permeabilitet (mDarcy) og tortuosity. Gjenta to ganger.

6. Drug lasting og utgivelse

  1. Før lasting, klargjør 4 L av 15 mg/L diflunisal løsning og rør over natten. Bekreft konsentrasjonen av oppløsningen ved UV-Vis spektroskopi (første konsentrasjon). Faktisk, hovne opp 400 mg av fryse-tørket prøver av hydrogel i 6 mL destillert vann for 24 h.
  2. For lasting fyller du en kolbe med 50 mL diflunisal oppløsning og opprettholder ved 25 ° c med konstant omrøring. Senk hver svulmet hydrogel i flasken.
    1. Ta alikvoter av resterende diflunisal løsning (2 mL) til forskjellige tider for å bestemme platået regionen av kurven, for eksempel: 3, 6, 24, 27, 30 og 48 h. Etter 24 h erstatte løsningen med en ny en.
  3. Mål absorbansen på 252 NM i hver alikvot, og bestemme konsentrasjonen av diflunisal tilstede i løsningen, ved hjelp av en kalibrering kurve av diflunisal. Beregn mengden av diflunisal beholdt i hydrogel ved 24 og 48 h, som differansen av innledende og endelige konsentrasjoner, tar hensyn til det totale volumet (56 mL).
    1. Bestem innkapsling virkningsgrad (EE) ved hjelp av ligningen 3.
      Equation 6
    2. Frys den lastede hydrogeler ved-80 ° c og lyophilize dem ved-50 ° c.
  4. For medikament utgivelse, Senk 300 mg av fryse-tørket diflunisal lastet hydrogeler i 50 mL fosfat buffer (pH 7,4) ved 25 ° c. Oppretthold konstant omrøring. Trekk alikvoter av 2 mL til forskjellige tider og Bytt ut med friskt medium for å holde et konstant volum.
    1. Determinate den diflunisal utgitt spektrofotometrisk ved 252 NM, ifølge en kalibrering kurve.
  5. Utlede den dominerende medikament Release mekanismen i hydrogeler justere stoffet Release data som tilsvarer de første 60%, til Korsmeyer-Peppas modell (ligning 4), for å få kinetisk (k) og diffusjon (n) konstanter. N -verdiene angir mekanismen for legemiddel frigivelse24,25. Deretter n -verdier nær 0,5 er knyttet til Fickian diffusjon, i mellomtiden verdier på 0,5-1.0 for uregelrett transport, der er involvert diffusjon og avslapping kjeder, og til slutt, verdier av 1,0 er knyttet til sak II transport.
    Equation 7
    1. Du kan bekrefte resultatene ved å bruke matematiske modeller av Higuchi, første ordre og null rekkefølge (ligninger 5 til 7) og velge bedre passform.
    2. Equation 8
      Equation 9
      Equation 10
      der t representerer Utgivelses tiden, Mt mengden medikament som ble levert på et gitt tidspunkt, og M den totale mengden medikament som ble levert på slutten av prosessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hydrogeler forberedelse
Chitosan-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 karakterisering
FT-IR Spectra er vist i figur 2. Syv egenskaper signaler av Chitosan og PVA polymerer ble oppdaget: på 3286 cm-1 stretching vibrasjonsmodus av PVA hydroksyl gruppe (-Oh) og på 2918 cm-1 stretching vibrasjon modus av-ch gruppe26,27. Signalene fra amid grupper, representant for Chitosan struktur, ble funnet på 1652 cm-1 til stretching vibrasjonsmodus av C = O (amid i), ved 1560 cm-1 til flection vibrasjonsmodus av N-H (amid II) og 1325 cm-1 til vibrasjon av amid III28,29,30. Andre signaler, på 1418 cm-1 til flection vibrasjonsmodus av C-H og på 1086 cm-1 til stretching vibrasjonsmodus av c-O grupper, begge av PVA, ble oppdaget27,31,32.

Elektronisk mikroskopi
Alle CS-PVA hydrogeler viste en svært porøs overflate (Figur 3, fra venstre til høyre) og karakteristiske endringer ble observert i henhold til forberedelse forholdene. Hydrogeler fremstilt ved-4 ° c (CP4-4) presenterte større porer enn hydrogeler fremstilt ved-80 ° c (CP4-80). Videre synes sistnevnte å ha et mer porøs nettverk. Denne effekten kan skyldes det faktum at, ved lavere temperatur, vannet krystall formasjon var raskere og mange små krystaller dukket opp og ble sublimert under fryse-tørking prosessen, etterlot void porene14,33. Samtidig synes effekten av antall fryse sykluser å fremme mer definerte og sirkulære porer i hydrogeler CP6-80 (Figur 3, fra topp til bunn).

Porosimetry
Prøvene CP4-4, CP4-80 og CP6-80 presenterte mer uttalt endringer; for å utfylle informasjon om morfologi, ble de analysert av MIP (tabell 1). Sammenligningen mellom hydrogeler CP4-4 og CP4-80 (Figur 3a) viste at ved en lavere temperatur på frysing, hydrogeler utviklet et mer porøs nettverk, som presenterte en stor total inntrenging volum og høyere total pore området. Men hydrogeler CP6-80 viste mindre permeabilitet enn CP4-80 (Figur 3b), sannsynligvis på grunn av deres høye tortuosity, som også ble reflektert i en lavere total inntrenging volum. Figur 3 presenterer de forskjellige pore størrelsene på disse hydrogeler. To pore størrelser ble preget, en mellom 0,3-5,0 μm og andre mellom 5,0-30 μm. I hydrogeler CP4-80 og CP6-80, hadde det porøse nettverket et større antall små porer enn store, sammenlignet med CP4-4 hydrogel. Disse resultatene var lik de som er observert av SEM micrographs og foreslo at ved lavere temperatur større interaksjoner mellom PVA kjeder ble favorisert og mer krystallinsk soner ble dannet. På en slik måte, ble dannelsen av krystallinsk soner av PVA kjeder, stimulert ved lav temperatur.

Hevelse analyser
Den hevelse atferden til CS-PVA hydrogeler kan sees i Figur 4. De raskt absorbert store mengder vann; for de første 5 timene de beholdt 10x sin vekt, og etter 20 timer de beholder opp til 5 ganger sin vekt (likevekt punkt). Men i forhold til hydrogeler forberedt på samme antall frysing sykluser, den hydrogel CP4-80 viste mindre hevelse kapasitet i de første 5 timene som en konsekvens av temperaturen som ble brukt for sin forberedelse (-80 ° c). I tilfelle av hydrogeler forberedt på ulike antall frysing sykluser (CP4-80, CP5-80 og CP6-80) ingen forskjeller ble funnet til enhver tid. Sannsynligvis ble den reduserte kapasiteten observert i hydrogeler fremstilt ved-80 ° c forårsaket av den lille pore-størrelsen til det hydrogel nettverket.

Drug lasting og slipp
For å evaluere kapasiteten til CS-PVA hydrogeler som legemiddel leveringssystemer, ble anti-inflammatorisk medikament diflunisal lastet i nettverket og senere utgitt. Den innkapsling effektivitet (EE) i alle disse systemene var rundt 70%; CP4-80-hydrogel presenterte imidlertid mer litt EE på 73% (tabell 2). I mellomtiden, den frigir Kinetics av diflunisal fra CS-PVA hydrogeler ble opprettholdt i ca 30 h i alle tilfeller. Den CP4-80 hydrogel sluppet den høyeste mengden av diflunisal (figur 5). Dette kan skyldes det faktum at denne hydrogel viste en mer porøs struktur i sammenligning med de to andre typer hydrogel. Denne funksjonen tillot det lille molekyl av stoffet å lett gå inn i hydrogel nettverket og, da, å bli befridd. Mellom CP4-80 og CP6-80 hydrogeler ble det ikke observert forskjeller under Utgivelses tiden (figur 6). Ingen burst effekt ble observert i noen av CS-PVA hydrogeler, som er lovende for farmasøytiske applikasjoner. Matematiske modeller ble brukt til å bestemme de viktigste utgivelsen mekanismen i CS-PVA hydrogeler. Resultatene ble justert til ulike matematiske modeller (tabell 3) og i henhold til n -verdier, ble det funnet at Fick diffusjon dominerer stoffet utgivelsesprosessen.

Figure 1
Figur 1: Kjemisk oppbygning av PVA (a), Chitosan (b) og diflunisal (c). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: FT-IR Spectra av ren Chitosan og PVA og, Chitosan-PVA hydrogeler forberedt på ulike tilstander for frysing. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: SEM micrographs av Chitosan-PVA hydrogeler på 1500x forstørrelse. Pore størrelses distribusjoner av Chitosan-PVA hydrogeler: a) hydrogeler fremstilt med 4 sykluser av frysing og ved-4 ° c og-80 ° c. b) hydrogeler forberedt på-80 ° c og, 4 og 6 sykluser. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Hevelse Kinetics av Chitosan-PVA hydrogeler: a) hydrogeler med 4 sykluser av frysing og b) hydrogeler forberedt på-80 ° c. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Diflunisal Release profiler i mg (a) og Mt/Equation 11 (b) for hydrogeler CP4-4 og CP4-80. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Diflunisal Release profiler i mg (a) og Mt/Equation 11 (b) for hydrogeler CP4-80 og CP6-80. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Hydrogel Totalt innbrudds volum (mL/g) Totalt pore område (m2/g) Porøsitet (%) Permeabilitet (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

Tabell 1: Porosimetry parametere av den porøse strukturen i Chitosan-PVA hydrogeler.

Eksempel Diflunisal lastet Diflunisal løslatt
mg/g hydrogel Innkapsling effektivitet (%) % frigitt respekt til lastet
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

Tabell 2: Innkapsling og frigivelses effektivitet for Chitosan-PVA-hydrogeler.

Eksempel Korsmeyer-Peppas Higuchi Første bestilling Null 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= Diffusion konstant.

Tabell 3: Kinetic parametre for diflunisal utgivelse fra Chitosan-PVA hydrogeler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. Dette er en allsidig metode fordi det gir mulighet til å forberede hydrogeler fra PVA eller deres blandinger med ulike polymerer11,37 på en slik måte at nye egenskaper fra andre polymerer kan fås i det nye materialet (f. eks, stor kapasitet til å absorbere vann, antimikrobielle eller antioksidant egenskaper2,18,35). Det er imidlertid viktig å tenke på at inkorporering av andre polymerer kan redusere styrken på hydrogeler19,37.

De viktigste parametrene for å vurdere i Freeze-tine metoden er temperaturen på frysing, tid og antall frysing sykluser, og også, polymer ratio (i tilfelle av polymer blandinger)2,19,20. Et bredt spekter av hevelse, morfologiske og mekaniske egenskaper kan fås med denne metoden når fryse forholdene er kontrollert. Disse parametrene påvirker direkte den tredimensjonale nettverkskonfigurasjonen i Chitosan-PVA hydrogeler fordi fryse forholdene fremmer ordningene i PVA-kjeder, som er koblet sammen med fysiske interaksjoner, kalt krystallinsk soner12,38. Disse krystallinsk soner er konsentrert regioner av hydrogen obligasjoner som fungerer som Cross Linking poeng i hydrogeler, som opprettholder og danner tredimensjonale nettverk og det er en retractor kraft når hydrogeler er i hevelse staten2,39,40.

I denne studien vurderte vi effekten av et nytt utvalg av fryse-tine temperaturer (-4 ° c,-20 ° c og-80 ° c) kombinert med et ulikt antall fryse sykluser (4, 5 og 6), men samtidig av frysing (20 h), for å forberede 1:1 Chitosan-PVA hydrogeler. Den laveste hevelse kapasiteten ble observert ved laveste temperatur (-80 ° c). Faktisk, hydrogeler på denne laveste temperaturen innhentet de mindre porene og de mer porøse nettverk. Disse forskjellene i Chitosan-PVA-hydrogeler er nyttige for forskjellige bruksområder som legemiddel leveranse systemer eller stillaser. Generelt, Chitosan-PVA hydrogeler presentere høy forekomst av hevelse, på grunn av Chitosan hydrofile grupper (-NH2)41,42, og de er myke, fleksible, enkle å håndtere og motstå manipulasjon på grunn av PVA egenskaper. I den forstand, den fryse-tine metoden er enkel, billig og rask å produsere Chitosan-PVA hydrogeler med ulike egenskaper, unngå giftige Cross Linking.

Selv om fryse-tine er en enkel og vennlig metode, det har noen ulemper. En fullstendig homogenisering av Chitosan, i dette tilfellet, og av polymer blandinger er svært viktig. Hydrogeler kan presentere mer skjøre soner og en uregelmessig porøs struktur. Det er også nødvendig å foreta en korrekt oppløsning av PVA i vann ved oppvarming ved 70-80 ° c42,43 for 1 time under magnetisk omrøring. Kjøling av denne PVA løsningen må være langsom med konstant omrøring for å hindre dannelsen av et solid lag av PVA.

En begrensning av denne metoden, for cellekultur analyser, er dannelsen av hvitaktig eller delvis gjennomsiktig hydrogeler. I dette tilfellet kan anvendelsen av glyserol eller DMSO (giftig sammensatte ved romtemperatur) brukes til å forbedre utseendet på hydrogel23,44. Den fryse-tørking trinn av fryse-tine metode for å forberede CS-PVA hydrogeler er et kritisk trinn, fordi hydrogeler kunne presentere en innsnevring i den midtre sonen, som komplisere arbeidet og karakterisering. For å unngå dette må prøven holdes helt frosset før lyophilization. Når det gjelder stoffet lasting og slipp studier, er det svært viktig å sikre at det ikke er interferens med signalene fra hydrogel komponenter og stoffet skal kvantifisert.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

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

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