Name: a freeze-thawing method to prepare chitosan-poly(vinyl alcohol) hydrogels without crosslinking agents and diflunisal release studies
Uploaded: 2020-01-14T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Freeze-Thawing Method to Prepare Chitosan-Polyvinyl alcohol Hydrogels Without Crosslinking Agents and Diflunisal Release Studies at JoVE.com

Auteurs zijn C. Luzuriaga dankbaar voor de ondersteuning in de porosimetrie metingen. Auteurs ook dank aan Ministerio de Economía y Competitividad van Spanje voor financiële ondersteuning (project MAT2014-59116-C2-2-R) en PIUNA (Ref. 2018-15). De auteurs willen ook Dr. Amir Maldonado van Departamento de física-UNISON erkennen voor ondersteuning en nuttige commentaren en Dr. SE Burruel-Ibarra van DIPM-UNISON voor SEM images en Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. voor financiële ondersteuning. ME Martínez-Barbosa wil CONACyT (México) projecten No. 104931 en No. 256753 bedanken, naast de financiële steun van Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del programa de redes Temáticas del CONACyT. En ook project USO316001081. MD Figueroa-Pizano wil CONACyT graag erkennen voor financiële steun (studiebeurs 373321).

1. bereiding van Chitosan-PVA-hydrogels
<ol><li>Bereid 2% (w/w) Chitosan en 10% (w/w) PVA-oplossingen voor. Los 0,2 g Chitosan op in 10 mL 0,1 M CH3COOH-oplossing (eerder gefilterd) bij kamertemperatuur en houd 's nachts continu mechanisch roeren. Los 1 g PVA op in 10 mL gedistilleerd water en roer gedurende 1 uur bij 80 °C.</li>
	<li>Meng beide oplossingen 1:1 met behulp van een magnetische roerder tot ze homogeen zijn bij kamertemperatuur, en giet de mengsels op Petri schalen. Laat de monsters 2 uur bij a...

De Freeze-Thawing-methode is een geschikt proces om biocompatibele hydrogels te bereiden die zich concentreren op biomedische, farmaceutische of cosmetische toepassingen34,35,36. Het belangrijkste voordeel van deze methode, in vergelijking met andere bekende methoden om hydrogels voor te bereiden, is dat crosslinking-agent gebruik wordt vermeden, wat een ontstekingsreactie of nadelige effecten in het menselijk lichaam kan veroor...

Onlangs hebben hydrogels veel interesse in het biomedische gebied, omdat het driedimensionale netwerken zijn met een hoog watergehalte en zacht en flexibel zijn, zodat ze natuurlijke weefsels gemakkelijk kunnen nabootsen1. Ook, ze niet oplossen in waterige medium op fysiologische temperatuur en pH maar presenteren een grote zwelling2. Hydrogels kunnen fungeren als tissue engineering steigers, hygiëne producten, contactlenzen en wondverbanden; omdat ze kunnen vangen en vrijgeven van actieve verbindingen en drugs, ze worden gebruikt als drug delivery Systems3. Afhankelijk van hun toepassing kunnen hydrogels worden gemaakt van natuurlijke of synthetische polymeren, of een combinatie van beide, om de beste eigenschappen te verkrijgen4.
De eigenschappen van hydrogels zijn een gevolg van vele fysische en chemische factoren. Op fysiek niveau zijn hun structuur en morfologie afhankelijk van hun porositeit, poriegrootte en porie verdeling5. Op chemisch en moleculair niveau zijn het polymeer type, de hydrofiele groepsinhoud in de polymeer keten, het kruiskoppelings punt type en de kruislings verbindende dichtheid de factoren die de zwelling capaciteit en de mechanische eigenschappen6,7bepalen.
Volgens het type crosslinking-middel dat wordt gebruikt om het netwerk te vormen, worden de hydrogels geclassificeerd als chemische hydrogels of fysische hydrogels. Chemische hydrogels worden samengevoegd met covalente interacties tussen hun ketens, die worden gevormd door UV-en gamma-bestraling of met behulp van een crosslinking-agent7,8. Chemische hydrogels zijn meestal sterk en resistent, maar in het algemeen is de crosslinking-agent giftig voor de cellen en de verwijdering ervan is moeilijk, dus de toepassing ervan is beperkt. Aan de andere kant vormen fysische hydrogels door de aansluiting van de polymeerketens door niet-covalente interacties, waarbij het gebruik van crosslinking-agenten4,9wordt vermeden. De belangrijkste niet-covalente interacties in het netwerk zijn hydrofobe interacties, elektrostatische krachten, complementaire en waterstof grenzen7.
Poly (vinyl alcohol) (PVA, Figuur 1a) is een synthetisch en in water oplosbaar polymeer met uitstekende mechanische prestaties en biocompatibiliteit die kunnen worden van cross link agent-Free hydrogels door middel van de Freeze-Thawing methode10,11. Dit polymeer heeft de capaciteit om geconcentreerde zones van waterstofbindingen te vormen tussen-OH-groepen van hun ketens (kristallijne zones) wanneer ze12bevriezen. Deze kristallijne zones fungeren als crosslinking-punten in het netwerk en worden gepromoot door twee gebeurtenissen: het naderen van de polymeerketens wanneer het kristalwater zich uitbreidt en de PVA-conformationele veranderingen van isotactiek naar syndiotactische PVA tijdens Freeze13. Door het vriesdrogen worden de waterkristallen gesublimeerd, waardoor er leegte ruimten zijn die de poriën in de hydrogel14zijn. Om hydrogels met betere eigenschappen te verkrijgen, kan PVA gemakkelijk worden gecombineerd met andere polymeren.
In die zin vormt Chitosan een optie omdat het het enige biopolymeer is van natuurlijke bronnen met positieve ladingen. Het wordt verkregen door de deacetylering van chitine en het bestaat uit willekeurige combinaties van β-1, 4 gekoppelde D-glucosamine (deacetylated Unit) en N-acetyl-D-glucosaminehoudende (geacetoneerde eenheid)15,16 (Figuur 1b). Chitosan is biologisch afbreekbaar door menselijke enzymen en het is biologisch compatibel. Ook, door zijn kationische aard, het kan communiceren met de negatieve lading van het celoppervlak, en deze eigenschap is geassocieerd met zijn antimicrobiële activiteit17. Dit polymeer is eenvoudig te verwerken; echter, hun mechanische eigenschappen zijn niet voldoende en sommige materialen zijn toegevoegd aan het vormen van complexen met betere kenmerken.
Gezien de specifieke kenmerken van Chitosan en PVA, is de succesvolle vervaardiging van hydrogels bereikt met de Vries-ontdooiing methode2,18 om het gebruik van toxische crosslinking-agenten te voorkomen. In Chitosan-PVA-hydrogels worden de kristallijne zones van PVA ook gevormd, en Chitosan ketens worden doorgedrongen en vormen eenvoudige waterstofbindingen met-NH2 groepen en-Oh groepen in PVA. De laatste Chitosan-PVA hydrogel is mechanisch stabiel, met hoge frequenties van zwelling en lage toxiciteit, en met antibacteriële werking18. Afhankelijk van de Vries condities die in het preparaat worden gebruikt (temperatuur, tijd en aantal cycli), kunnen de uiteindelijke eigenschappen echter veranderen. Sommige studies melden dat het verhogen van het aantal bevriezings cycli vermindert de zwelling graad en verhoogt de treksterkte19,20. Om het netwerk te versterken, zijn andere middelen, zoals gamma-en UV-straling en chemische reologie, aanvullend gebruikt na de Vries ontdooide voorbereiding21,22,23. Hydrogels met een hogere Chitosan verhouding hebben een meer poreus netwerk en een hoge zwelling capaciteit, maar minder sterkte en thermische stabiliteit. In deze context is het belangrijk om de bereidings voorwaarden te overwegen om geschikte hydrogels te verkrijgen voor hun doeltoepassing.
Het doel van dit werk is om gedetailleerd te presenteren hoe de Vries condities (temperatuur van bevriezing en aantal cycli) van invloed zijn op de uiteindelijke kenmerken van CS-PVA-hydrogels. FT-IR spectra, morfologische en porositeit eigenschappen en zwelling capaciteit werden geëvalueerd, evenals drug loading en release capaciteit. In de release studies werd bifenylstructuur (Figuur 1c) gebruikt als model medicijn, vanwege de grootte die geschikt is voor de hydrogel structuur.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Materials:</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chitosan medium molecular weight</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>448877</td>
			<td>Mw determined by capillary viscometry (637,000 Da) and deacetylation degree of 70%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diflunisal (2&#39;-4&#39;-difluoro-4-hydroxy-3-biphenyl-carboxylicacid)</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glacial acetic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1005706</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(vinyl alcohol)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>341584</td>
			<td>Mw 89,000-98,000, 99+% hydrolyzed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Equipment:</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cressington Sputter Coater 108 auto</td>
			<td>TED PELLA INC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryodos Lyophilizator</td>
			<td>Telstar</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Falcon tubes</td>
			<td>Thermo Fisher Company</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FT-IR spectroscopy</td>
			<td>Nicolet iS50</td>
			<td>in ATR mode</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lyophilizator</td>
			<td>LABCONCO</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micromeritics Autopore IV 9500</td>
			<td>Micromeritics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope</td>
			<td>Pemtron SS-300LV</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-visible spectrophotometer</td>
			<td>Agilent 8453</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a freeze-thawing method to prepare chitosan-poly(vinyl alcohol) hydrogels without crosslinking agents and diflunisal release studies

Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels kunnen worden geproduceerd door middel van de Freeze-Thawing-methode zonder gebruik te maken van giftige crosslinking-agenten. De toepassingen van deze systemen worden beperkt door hun kenmerken (bijv. porositeit, flexibiliteit, zwelling capaciteit, drugs belasting en geneesmiddelafgifte capaciteit), die afhangen van de Vries condities en de aard en verhouding van polymeren. Dit protocol beschrijft hoe u hydrogels van Chitosan en poly (vinyl alcohol) bereiden op 50/50 w/w% van de polymeer samenstelling en de vriestemperatuur variëren (-4 °C,-20 °C,-80 °C) en vries dooi cycli (4, 5, 6 Vries cycli). FT-IR spectra, SEM Microscoop en porosimetrie gegevens van hydrogels werden verkregen. Ook werden de zwelling capaciteit en drug laden en vrijlating van bifenylstructuur beoordeeld. Resultaten van SEM micro Foto's en porosimetrie tonen aan dat de poriëngrootte afneemt, terwijl de porositeit toeneemt bij lagere temperaturen. Het zwelling percentage was hoger bij de kleine vriestemperatuur. De afgifte van bifenylstructuur uit de hydrogels is bestudeerd. Alle netwerken handhaven de drug vrijlating voor 30 h en geconstateerd is dat een eenvoudige diffusie mechanisme regelt de bifenylstructuur vrijlating volgens korsmeyer-peppas en Higuchi modellen.

Voorbereiding van hydrogels Chitosan-PVA-hydrogels werden verkregen bij-4 °C,-20 °C en-80 °C met 4 Vries cycli en bij-80 °C met 5 en 6 Vries cycli door de eerder gemelde bevriezings methode2. Alle hydrogels waren homogeen, semi-transparant, flexibel en bestand tegen manipulatie.
FT-IR-karakterisering De FT-IR spectra zijn weergegeven in Figu...

Watch this Scientific Journal Video about A Freeze-Thawing Method to Prepare Chitosan-Polyvinyl alcohol Hydrogels Without Crosslinking Agents and Diflunisal Release Studies at JoVE.com

A Freeze-Thawing Method to Prepare Chitosan-Polyvinyl alcohol Hydrogels Without Crosslinking Agents and Diflunisal Release Studies

De vriesontdooi methode wordt gebruikt voor de productie van Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels zonder dwars verbindingsmiddelen. Voor deze methode is het belangrijk om de Vries condities (temperatuur, aantal cycli) en polymeer verhouding te overwegen, wat de eigenschappen en toepassingen van de verkregen hydrogels kan beïnvloeden.

Een Bevriezings methode voor het bereiden van Chitosan-poly (vinyl alcohol) hydrogels zonder dwars verbindingsmiddelen en Diflunisale vrijgave studies

Chitosan-poly(vinyl alcohol) hydrogels can be produced by the freeze-thawing method without using toxic crosslinking agents. The applications of these ...

Dit protocol is belangrijk omdat onze vriesdooimethode een geschikt proces is om biocompatibele hydrogels voor te bereiden voor gebruik in biomedische, farmaceutische of cosmetische toepassingen. Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat het geen gebruik maakt van chemische crosslinking middelen die een aangeboren afwijking kan veroorzaken. Ook de bevriezing voorwaarde gebruikt in deze methode controle van de uiteindelijke eigenschap van hydrogels zoals graden.Deze methode kan worden toegepast op hydrogels met andere toepassingen. Dit doet worden gebruikt om watervervuiling te behandelen. Het zou inderdaad kunnen worden gebruikt voor de productie van polymeerkralen die worden gebruikt als watercontainer voor een nieuwe cultuur.Het is belangrijk om de polymeeroplossing die het meet volledig te homogeniseren. Anders zullen de hydrogels kraakpunten presenteren. Ook moet je voorzichtig zijn met de vriestijden in elke cyclus.Om te beginnen met deze procedure oplossen 0,2 gram chitosan en 10 milliliter 0,1 molair azijnzuur bij kamertemperatuur en onderhouden continu mechanisch roeren 's nachts om een 2% chitosan oplossing voor te bereiden. Los de volgende dag een gram PVA en 10 milliliter gedestilleerd water op en roer een uur lang op 80 graden Celsius. Gebruik een magnetische roerder om een gelijke hoeveelheid van beide oplossingen te mengen bij kamertemperatuur totdat ze homogeen zijn.Giet de mengsels op petrischaaltjes. Laat de monsters bij atmosferische druk gedurende twee uur ontgassen. Bevries de hydrogels bij min vier graden Celsius, min 20 graden Celsius, of min 80 graden Celsius gedurende 20 uur en vier cycli.Vries een andere hydrogel op min 80 graden Celsius voor 20 uur met behulp van vijf of zes bevriezing cycli. Na de derde vriescyclus, was de hydrogels met gedeïeënseerd water. Aan het einde van de laatste vriescyclus bevriezen droog de hydrogels op min 50 graden Celsius voor 48 uur en roer voor verdere karakterisering.Wanneer u klaar bent om FT-IR-karakterisering uit te voeren, plaatst u een klein stukje hydrogel in de FT-IR-spectrofotometer in de ATR-modus. Neem de FT-IR spectro van 4000 naar 600 golflengten. Ten eerste, uitgesneden schijven van de hydrogel die 13 millimeter in diameter en 10 millimeter hoog.Weeg ze. Incubeer de schijven in 50 milliliter gedeïsized water op 25 graden Celsius tijdens het schudden. Verwijder elke 30 minuten het monster uit het medium.Dep het monster om overtollig water te elimineren en te wegen. Bereken vervolgens de zwellingsgraad en voer elektronische microscopie en porieasymmetrie uit zoals beschreven in het tekstprotocol. Bereid voor het laden vier liter Diflunisale oplossing voor op 15 milligram per liter en roer 's nachts.Bevestig de concentratie van de oplossing met UV-Vis Spectroscopie. Dan zwellen 400 milligram gevriesdroogde hydrogel monsters en zes milliliter gedestilleerd water voor 24 uur. Voor het laden, vul een kolf met 50 milliliter diflunisale oplossing en handhaven op 25 graden Celsius met constante roeren.Dompel elke opgezwover hydrogel onder in de kolf. Neem vervolgens 2 milliliter aliquots van de resterende Diflunisale oplossing op verschillende tijdstippen om het plateaugebied van de curve te bepalen. Na 24 uur, vervang de oplossing met een verse.Meet de absorptie van elke aliquot op 252 nanometer en bepaal de concentratie diflunisale aanwezig in de oplossing met behulp van de kalibratiecurve van Diflunisal. Bepaal de hoeveelheid Diflunisal die in de hydrogel wordt bewaard en de inkapselingsefficiëntie zoals beschreven in het tekstprotocol. Bevries vervolgens de geladen hydrogels bij min 80 graden Celsius en verlyfiphilize ze bij min 50 graden Celsius.Voor het vrijkomen van geneesmiddelen, dompel 300 milligram gevriesdroogde Diflunisal-loaded hydrogels en 50 milliliter fosfaatbuffer bij pH 7.4 en bij 25 graden Van Celsius onder. Blijf constant roeren. Trek twee milliliter aliquots op verschillende tijdstippen en vervang met vers medium om een constant volume te houden.Bepaal de Diflunisal vrijgegeven spectrofotometrisch op 252 nanometer volgens een kalibratiecurve. Leid hierna het overheersende mechanisme voor het vrijkomen van geneesmiddelen af in de hydrogels zoals beschreven in het tekstprotocol. Hier worden CSPVA hydrogels bereid zonder crosslinking middelen met behulp van een vries-ontdooien methode.De FT-IR spectro toont zeven karakteristieke signalen van beide polymeren. Alle CSPVA hydrogels vertonen een zeer poreus oppervlak en onderscheidende veranderingen worden waargenomen volgens de voorbereidingsomstandigheden. Hydrogels bereid op min vier graden Celsius presenteren de grootste poriën.De hydrogels bereid bij min 80 graden Celsius lijken een meer poreus netwerk te hebben en het aantal vriescycli lijkt meer gedefinieerde en cirkelvormige poriën te bevorderen. Hydrogels bereid met zes vriescycli bij min 80 graden Celsius vertonen echter minder doorlaatbaarheid dan die bereid met vier vriescycli bij min 80 graden Celsius waarschijnlijk als gevolg van hun hoge tortuositeit, wat werd weerspiegeld in het lagere totale inbraakvolume. Bij zwelling gedrag hydrogels snel absorberen grote hoeveelheden water, met behoud van tien keer hun gewicht voor de eerste vijf uur en tot 15 keer hun gewicht na 20 uur.Bij het observeren van het effect van de temperatuur wordt gezien dat de hydrogel bereid met vier vriescycli bij min 80 graden Celsius toont minder zwelling capaciteit in de eerste vijf uur. Het aantal bevriezingscycli wordt op geen enkel moment gezien om verschillen te creëren. De bevrijdende kinetiek van Diflunisal van hydrogels wordt gehandhaafd ongeveer 30 uren in alle gevallen met hydrogel die met vier bevriezende cycli bij min 80 graden van Celsius wordt voorbereid, die het hoogste bedrag vrijgeven.Er is geen verschil in de afgifte tussen de hydrogel bereid met vier vriescycli bij min 80 graden Celsius en de hydrogel bereid met zes vriescycli bij min 80 graden Celsius. Het belangrijkste om te onthouden bij een poging deze procedure zijn de vrieskou. U moet beginnen met bijna drie vriescycli om een voltooide, gevormde hydrogels te verkrijgen.Deze methode kan worden gecombineerd met celcultuur om in-vitro biocompatibiliteit te evalueren. Het kan ook worden gecombineerd met afbraakstudies. Na de ontwikkeling van deze procedures realiseerden we ons dat we de mogelijkheid konden onderzoeken om andere polymeren in het mengsel of zelfs natuurlijke verbindingen zoals aloë vera te integreren.Hierdoor kunnen we nieuwe eigenschappen in deze materialen opnemen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Freeze-Thawing Method to Prepare Chitosan-Poly(vinyl alcohol) Hydrogels Without Crosslinking Agents and Diflunisal Release Studies

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Ontwerp van een Cyclic Pressure Bioreactor voor de Ex Vivo Studie van Aorta hartkleppen

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

A Novel Three-dimensional Flow Chamber Device to Study Chemokine-directed Extravasation of Cells Circulating under Physiological Flow Conditions

A Novel Driedimensionale Flow Kamer Device aan chemokine-gerichte extravasatie van Cellen doorgeven Studie onder Fysiologische stroomtoestanden

Extravasation of circulating cells from the bloodstream plays a central role in many physiological and pathophysiological processes, including stem cell ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

De synthese van RGD-gefunctionaliseerde Hydrogels als een instrument voor therapeutische toepassingen

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Light-gemedieerde Vorming en patroonvorming van hydrogels voor Cultuur van de Cel Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Tunable Hydrogels from Pulmonary Extracellular Matrix for 3D Cell Culture

Tunable Hydrogels van Pulmonary extracellulaire matrix voor 3D-Cell Culture

Here we present a method for establishing multiple component cell culture hydrogels for in vitro lung cell culture. Beginning with healthy en bloc lung ...

Human Pluripotent Stem Cell Culture on Polyvinyl Alcohol-Co-Itaconic Acid Hydrogels with Varying Stiffness Under Xeno-Free Conditions

Menselijke pluripotente stamcel cultuur op Polyvinyl Alcohol-Co-itacon zuur Hydrogels met verschillende stijfheid onder voorwaarden Xeno-gratis

The effect of physical cues, such as the stiffness of biomaterials on the proliferation and differentiation of stem cells, has been investigated by ...

Production of Elastin-like Protein Hydrogels for Encapsulation and Immunostaining of Cells in 3D

Productie van elastine-achtige eiwitten Hydrogels voor inkapselen en immunokleuring van cellen in 3D

Two-dimensional (2D) tissue culture techniques have been essential for our understanding of fundamental cell biology. However, traditional 2D tissue ...

Simultaneous Quantification of Selected Kynurenines Analyzed by Liquid Chromatography-Mass Spectrometry in Medium Collected from Cancer Cell Cultures

Gelijktijdige kwantificering van geselecteerde kynurenines geanalyseerd door vloeibare chromatografie-massaspectrometrie in medium verzameld uit kankercelculturen

The kynurenine pathway and the tryptophan catabolites called kynurenines have received increased attention for their involvement in immune regulation and ...

Controlled Strain of 3D Hydrogels under Live Microscopy Imaging

Gecontroleerde stam van 3D-hydrogels onder live microscopiebeeldvorming

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized ...

Injectable Supramolecular Polymer-Nanoparticle Hydrogels for Cell and Drug Delivery Applications

Injecteerbare supramoleculaire polymeer-nanodeeltjes hydrogels voor cel- en medicijnafgiftetoepassingen

These methods describe how to formulate injectable, supramolecular polymer-nanoparticle (PNP) hydrogels for&#160;use as biomaterials. PNP hydrogels are ...