ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Використання ранових пов’язок набуває все більшої популярності, особливо в тактичній і військовій медицині. Розробка ранових пов’язок, здатних полегшити лікування ран і скоротити час загоєння, є одним із завдань сучасної науки. Натрій альгінат (Alg) є перспективним кандидатом для розробки ранових покриттів завдяки своїй біо- та гемосумісності та здатності до біодеградації. Однак Alg має свої недоліки, які можна усунути модифікацією.

Метою даної роботи було дослідити вплив модифікації Alg октан-1-аміном на кінетику вивільнення етонію іммобілізованого у зразках, зшитих іонами Са²⁺. Для цього розроблено метод модифікації Alg октан-1-аміном без використання органічних розчинників і з використанням 1-етил-3-(3-диметиламінопропіл) карбодііміду гідрохлориду (EDCl) як ініціатора. Оптимальними параметрами для модифікації процесу були встановлені температура 60 °С і тривалість процесу модифікування 24 години. Успіх модифікації підтверджено фізико-хімічними методами. Плівки на основі натрій альгінату, модифікованого октан-1-аміном (AlgM), отримано шляхом зшивання розчином хлориду кальцію. Досліджено кінетику набрякання та встановлено, що ступінь набрякання зразка на основі AlgM через 10 хвилин вдвічі більший (α = 0.71), ніж для Alg (α = 0.37), що свідчить про потенційно більш швидке вивільнення іммобілізованих лікарських речовин із зразків, одержаних на основі AlgM. Однак, кінетика вивільнення залежить не лише від кінетики набрякання, а й від хімічної природи препарату.

Отримано плівки на основі альгінатів та етонію, який використано як модельний бактерицидний препарат. Вивчено кінетику вивільнення етонію за різних значеннь pH, що відповідають pH здорової шкіри (5.5), відкритих ран (7.2) і запалених ран (8.2). Встановлено, що виділення етонію із зразка на основі AlgM є більш рН-чутливим і пролонгованим, порівняно зі зразком на основі Alg. Цей ефект пояснюється появою додаткового механізму утримування етонію AlgM за рахунок гідрофобно-гідрофобної взаємодії в плівках.

Властивості пролонгованого вивільнення, які спостерігаються у зразках, іммобілізованими лікарськими засобами, роблять їх перспективними кандидатами для розробки систем цільової доставки ліків і ранових пов’язок, які особливо актуальні для лікування хронічних та опікових ран. Подальші дослідження будуть зосереджені на оптимізації методу зшивання та встановленні можливого застосування модифікованих матеріалів на основі альгінату в біомедичних цілях.

1. Boateng J.S., Matthews K.H., Stevens H.N., Eccleston G.M. Wound healing dressings and drug delivery systems: a review. J. Pharm. Sci. 2008. 97(8): 2892. https://doi.org/10.1002/jps.21210

2. Moura L.I., Dias A.M., Carvalho E., de Sousa H.C. Recent advances on the development of wound dressings for diabetic foot ulcer treatment - A review. Acta Biomater. 2013. 9(7): 7093. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.03.033

3. Kovalenko O.M. Suchasni ranovi pokryttia. Suchasni med. tekhnolohii. 2010. 4: 88. [in Ukrainian].

4. Laurén P., Somersalo P., Pitkänen I., Lou Y.R., Urtti A., Partanen J., Seppälä J., Madetoja M., Laaksonen T., Mäkitie A., Yliperttula M. Nanofibrillar cellulose-alginate hydrogel coated surgical sutures as cell-carrier systems. PLoS One. 2017. 12(8): e0183487. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0183487

5. Paul W., Sharma C.P. Alginates: wound dressings. In: Encyclopedia of biomedical polymers and polymeric biomaterials. (Taylor & Francis, 2015). P. 134. https://doi.org/10.1081/E-EBPP-120051065

6. Abasalizadeh F., Moghaddam S.V., Alizadeh E., Akbari E., Kashani E., Fazljou S.M., Torbati M., Akbarzadeh A. Alginate-based hydrogels as drug delivery vehicles in cancer treatment and their applications in wound dressing and 3D bioprinting. J. Biol. Eng. 2020. 14(1): 8. https://doi.org/10.1186/s13036-020-0227-7

7. Parhi R. Cross-Linked hydrogel for pharmaceutical applications: a review. Adv. Pharm. Bull. 2017. 7(4): 515. https://doi.org/10.15171/apb.2017.064

8. Keil C., Hübner C., Richter C., Lier S., Barthel L., Meyer V., Subrahmanyam R., Gurikov P., Smirnova I., Haase H. Ca-Zn-Ag alginate aerogels for wound healing applications: swelling behavior in simulated human body fluids and effect on macrophages. Polymers. 2020. 12(11): 2741. https://doi.org/10.3390/polym12112741

9. Zimmermann K.A., LeBlanc J.M., Sheets K.T., Fox R.W., Gatenholm P. Biomimetic design of a bacterial cellulose/hydroxyapatite nanocomposite for bone healing applications. Mater. Sci. Eng. 2011. 31(1): 43. https://doi.org/10.1016/j.msec.2009.10.007

10. Vasile B.S., Birca A.C., Musat M.C., Holban A.M. Wound dressings coated with silver nanoparticles and essential oils for the management of wound infections. Materials. 2020. 13(7): 1682. https://doi.org/10.3390/ma13071682

11. Hu T., Lo A.C. Collagen-Alginate composite hydrogel: application in tissue engineering and biomedical sciences. Polymers. 2021. 13(11): 1852.

https://doi.org/10.3390/polym13111852

12. Zhang H., Cheng J., Ao Q. Preparation of alginate-based biomaterials and their applications in biomedicine. Mar. Drugs. 2021. 19(5): 264. https://doi.org/10.3390/md19050264

13. Yang J.S., Xie Y.J., He W. Research progress on chemical modification of alginate: a review. Carbohydr. Polym. 2011. 84(1): 33. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.11.048

14. Vallée F., Müller C., Durand A., Schimchowitsch S., Dellacherie E., Kelche C., Cassel J.C., Leonard M. Synthesis and rheological properties of hydrogels based on amphiphilic alginate-amide derivatives. Carbohydr. Res. 2009. 344(2): 223. https://doi.org/10.1016/j.carres.2008.10.029

15. Wang C., Wang Z., Zhang X. Amphiphilic Building Blocks for Self-Assembly: From Amphiphiles to Supra-amphiphiles. Acc. Chem. Res. 2012. 45(4): 608. https://doi.org/10.1021/ar200226d

16. Nigmatullin R., Johns M.A., Muñoz-García J.C., Gabrielli V., Schmitt J., Angulo J., Khimyak Y.Z., Scott J.L., Edler K.J., Eichhorn S.J. Hydrophobization of Cellulose Nanocrystals for Aqueous Colloidal Suspensions and Gels. Biomacromolecules. 2020. 21(5): 1812. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.9b01721

17. Hill J., Shrestha L., Ishihara S., Ji Q., Ariga K. Self-Assembly: From Amphiphiles to Chromophores and Beyond. Molecules. 2014. 19(6): 8589. https://doi.org/10.3390/molecules19068589

18. Yao B., Ni C., Xiong C., Zhu C., Huang B. Hydrophobic modification of sodium alginate and its application in drug-controlled release. Bioprocess Biosyst. Eng. 2010. 33(4): 457. https://doi.org/10.1007/s00449-009-0349-2

19. Bolton L.L., Johnson C.L., Van Rijswijk L. Occlusive dressings: therapeutic agents and effects on drug delivery. Clinics in Dermatology. 1991. 9(4): 573. https://doi.org/10.1016/0738-081X(91)90087-2

20. Park M., Kim S., Kim I.S., Son D. Healing of a porcine burn wound dressed with human and bovine amniotic membranes. Wound Repair Regen. 2008. 16(4): 520. https://doi.org/10.1111/j.1524-475X.2008.00399.x

21. Saffle J.R. Closure of the excised burn wound: temporary skin substitutes. Clin. Plast. Surg. 2009. 36(4): 627. https://doi.org/10.1016/j.cps.2009.05.005

22. Rezvanian M., Amin M.C., Ng S.F. Development and physicochemical characterization of alginate composite film loaded with simvastatin as a potential wound dressing. Carbohydr. Polym. 2016. 137: 295. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.10.091

23. Yasasvini S., Anusa R., VedhaHari B., Prabhu P., RamyaDevi D. Topical hydrogel matrix loaded with Simvastatin microparticles for enhanced wound healing activity. Mater. Sci. Eng. 2017. 72: 160. https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.11.038

24. Rojewska A., Karewicz A., Karnas K., Wolski K., Zając M., Kamiński K., Szczubiałka K., Zapotoczny S., Nowakowska M. Pioglitazone-Loaded nanostructured hybrid material for skin ulcer treatment. Materials. 2020. 13(9): 2050. https://doi.org/10.3390/ma13092050

25. Sakai S., Sato K., Tabata Y., Kishi K. Local release of pioglitazone (a peroxisome proliferator-activated receptor γ agonist) accelerates proliferation and remodeling phases of wound healing. Wound Repair Regen. 2015. 24(1): 57. https://doi.org/10.1111/wrr.12376

26. Kim J.O., Choi J.Y., Park J.K., Kim J.H., Jin S.G., Chang S.W., Li D.X., Hwang M.R., Woo J.S., Kim J.A., Lyoo W.S., Yong C.S., Choi H.G. Development of clindamycin-loaded wound dressing with polyvinyl alcohol and sodium alginate. Biol. Pharm. Bull. 2008. 31(12): 2277. https://doi.org/10.1248/bpb.31.2277

27. Nurjanah A., Amran M.B., Rusnadi. Mechanical properties of alginate based biopolymers as wound dressing material. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. V. 833. 2020. P. 012030. https://doi.org/10.1088/1757-899X/833/1/012030

28. Wang J., Hu H., Yang Z., Wei J., Li J. IPN hydrogel nanocomposites based on agarose and ZnO with antifouling and bactericidal properties. Mater. Sci. Eng. 2016. 61: 376. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.12.023

29. Lootens D., Capel F., Durand D., Nicolai T., Boulenguer P., Langendorff V. Influence of pH, Ca concentration, temperature and amidation on the gelation of low methoxyl pectin. Food Hydrocoll. 2003. 17(3): 237. https://doi.org/10.1016/S0268-005X(02)00056-5

30. Lee K.Y., Mooney D.J. Alginate: properties and biomedical applications. Prog. Polym. Sci. 2012. 37(1): 106. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.06.003

31. Suzuki Y., Nishimura Y., Tanihara M., Suzuki K., Nakamura T., Shimizu Y., Yamawaki Y., Kakimaru Y. Evaluation of a novel alginate gel dressing: cytotoxicity to fibroblastsin vitro and foreign-body reaction in pig skinin vivo. J. Biomed. Mater. Res. 1998. 39(2): 317. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4636(199802)39:2<317::AID-JBM20>3.0.CO;2-8

32. Ivantsyk L.B., Drogovoz S.M., Gerbina N.A., Kalko K.A., Shtroblia V.V. Advantages of the composition and actyvity of a new combined ointment with ethony for treatment of the wound process. Likarska Sprava. 2019. (1-2): 126. https://doi.org/10.31640/JVD.1-2.2019(19)

33. Ainurofiq A., Choiri S. Model and release pattern of water soluble drug from natural-polymer based sustained release tablet dosage form. Int. J. Pharm. Pharm. Sci. 2014. 6(9): 179.

34. Niether D., Wiegand S. Thermodiffusion and hydrolysis of 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC). Eur. Phys. J. E. 2019. 42(9): 117. https://doi.org/10.1140/epje/i2019-11880-1

35. Nastaj J., Przewłocka A., Rajkowska-Myśliwiec M. Biosorption of Ni(II), Pb(II) and Zn(II) on calcium alginate beads: equilibrium, kinetic and mechanism studies. Pol. J. Chem. Techol. 2016. 18(3): 81. https://doi.org/10.1515/pjct-2016-0052

36. Ji Y., Yang X., Ji Z., Zhu L., Ma N., Chen D., Jia X., Tang J., Cao Y. DFT-calculated IR spectrum amide I, II, and III band contributions of N-methylacetamide fine components. ACS Omega. 2020. 5(15): 8572. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b04421

37. Karmakar P., Pujol C.A., Damonte E.B., Ghosh T., Ray B. Polysaccharides from Padina tetrastromatica: Structural features, chemical modification and antiviral activity. Carbohydr. Polym. 2010. 80: 513. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.12.014

38. Rowbotham J.S., Dyer P.W., Greenwell H.C., Selby D., Theodorou M.K. Copper(II)-mediated thermolysis of alginates: a model kinetic study on the influence of metal ions in the thermochemical processing of macroalgae. Interface Focus. 2013. 3(1): 20120046. https://doi.org/10.1098/rsfs.2012.0046

39. Kolesnyk I.S., Borodulin Yu.V., Antoniuk N.H., Burban A.F. PH-chutlyvi mikrokapsuly na osnovi natrii alhinatu, modyfikovanoho L-asparahinovoiu ta L-hlutaminovoiu kyslotamy. Nauk. zap. Khim. nauky i tekhnolohii. 2015. 170: 9. [in Ukrainian].

40. Sun J.Y., Zhao X., Illeperuma W.R., Chaudhuri O., Oh K.H., Mooney D.J., Vlassak J.J., Suo Z. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature. 2012. 489(7414): 133. https://doi.org/10.1038/nature11409