• 沒有找到結果。

可自我修復之新穎多聚醣混成雙重結構凝膠於生物醫學應用之研究

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "可自我修復之新穎多聚醣混成雙重結構凝膠於生物醫學應用之研究"

Copied!
95
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

 

國立交通大學

 

材料科學與工程學系

 

碩士論文

     

可自我修復之新穎多聚醣混成雙重結構凝膠於生物

醫學應用之研究 

 

A Novel Dual-Structure, Self-Healable Polysaccharide-based Hybrid

Hydrogel for Biomedical Uses

 

研 究 生:林立傑

指導教授:劉典謨 教授

(2)

可自我修復之新穎多聚醣混成雙重結構凝膠於生物醫學應

用之研究 

A Novel Dual-Structure, Self-Healable Polysaccharide-based

Hybrid Hydrogel for Biomedical Uses 

 

 

 

研  究  生:林立傑      Student:Li-Jieh Lin

指導教授:劉典謨      Advisor:Dean-Mo Liu 

國  立  交  通  大  學 

材  料  科  學  與  工  程  學  系 

碩  士  論  文 

A Thesis

Submitted to Department of Materials Science and Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

In partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of Master of Science in

Material Science and Engineering

January 2011

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

(3)

可自我修復之新穎多聚醣混成雙重結構凝膠於生物醫學應

用之研究 

 

研 究 生:林立傑

指導教授:劉典謨博士

國立交通大學材料科學與工程學系碩士班

摘 要:

幾丁聚醣、藻酸鈉兩者皆為天然性的多糖類高分子,具有相當優異的生物相容性可 應用於各種生醫材料上,本實驗中藉由研究兩種材料形成的複合結構水膠在物理性質及 生物性質上的表現來改善各種生醫材料的應用。在本實驗中,成功的將兩性幾丁聚醣 (CHC)與藻酸鈉(SAL)均勻混合溶液調配出來,而不會如過去的研究般互相聚集凝結。藉 由藻酸鈉會與兩價正離子如鈣離子產生作用力進而生成特殊的蛋盒(egg-box)結構的特 性,將幾丁聚醣/藻酸鈉的混合溶液浸泡於氯化鈣水溶液內得到雙重結構高水含量的水 膠體。實驗中我們使用小瓶傾斜法(vial tilting)來測定溶液的凝膠時間,從結果中發現每 種組成的凝膠時間都非常地快速,凝膠過程大都發生於幾秒內或接觸瞬間。此外複合雙 重結構水膠的澎潤吸水率經過冷凍乾燥維持結構處理後,浸泡於欲吸收的溶液中一天測 量其飽和吸水程度。而保水力則利用達最大吸水率的水膠置於常溫下測定。其結果顯示 出此複合水膠具有很高的吸水率及良好的保水能力。不同組成的水膠的動態機械性質 (流變性質)使用流變儀來測定。結果顯示此種雙重結構的水膠在高剪切力造成水膠結構 暫時分離後,消除外加剪切力時,其水膠網狀結構具有可逆性,可回復回原本的狀態,

(4)

此性質稱之為搖變性(thixotropic)。另外也發現當兩塊高甘油比例組成的水膠個別截開 得到新斷面後,立刻貼附在一起一段時間後,兩個個別的水膠斷面監會生成新的作用力 將兩個水膠連接在一起,此性質我們稱之為可自我修復。利用兩性幾丁聚醣於水中有形 成微胞的能力來包覆脂溶性藥物(維他命 A),並利用藻酸鈉的特性來形成水膠體,進而 達成雙步驟的藥物釋放效果。一開始沒被包覆及吸附在微胞表面的藥物分子會快速釋放, 迅速使藥物血液濃度達到有效濃度,而被包覆的藥物分子則在之後達到緩慢釋放的效果, 藉而維持血液中的藥物濃度,達到長時間的療效。細胞存活率使用人類皮膚纖維母細胞 (WS1)來進行測試,結果顯示相當好的存活率,代表此水膠具有優異的生物相容性。另 外皮膚敏感性測試也顯示在動物實驗中不會有任何刺激性的反應出現。搖變性及自我修 復的性質使此種複合結構水膠能應用在注射系統上,且雙重結構的長時間釋放效果使其 具備用於慢性疾病的長時間治療的潛力。而高吸水率、高保水力及對皮膚無刺激性也在 傷口敷材上具有相當好的應用。

 

 

(5)

A Novel Dual-Structure, Self-Healable

Polysaccharide-based Hybrid Hydrogel for Biomedical

Uses 

 

Student:Li-Jieh

Lin

Advisor:Dr. Dean-Mo Liu

Department of Materials Science and Engineering

National Chiao Tung University

 

 

Abstract 

In  this  study,  we  combine  two  excellent  nature  polysaccharide  materials  to  acquire  a  dual‐structure hydrogel for biomedical uses due to their high biocompatibility, good physical  properties,  and  the  novel  dual‐structure  in  drug  delivery  system.  A  new  unique  dual‐structure hydrogel composed of nanostructures of amphiphilic chitosan (CHC) dispersed  in  a  sodium  alginate  matrix  (SAL)  is  presented.  The  successful  creation  of  the  composite  is  based  on  combining  chitosan  and  sodium  alginate  without  precipitation  or  agglomeration,  which has not been previously reported. The CHC/SAL composite gels presents a number of  properties  making  them  attractive  for  biomedical  applications,  in  particular  as  implantable  depot gels or in dermal applications. The gels are shown to form rapidly upon exposure of  the combination solution to Ca2+ containing gelation medium. The formed gels have storage  moduli  similar  to  soft  tissue  and  displays  shear  reversible  gelation  with  fast  recovery  of 

(6)

exhibit  moderate  swelling  in  deionized  water  and  low  swelling  in  simulated  body  fluid  and  cell  culture  media.  Furthermore,  the  water  retention  of  the  gels  is  good.  The  drug  release  from the composite gels is demonstrated using the hydrophobic drug all‐trans retinoic acid,  which is used in cancer and skin disorder therapies. The drug release initially occurs through  a  Fickian  mechanism  for  a  fraction  of  the  loaded  drug,  where  the  fraction  released  during  this  process  depends  on  release  media  and  gel  composition.  However,  a  large  fraction  of  loaded  drug  can  be  retained  for  long  term  depot  drug  delivery.  Furthermore,  the  CHC/SAL  gels  are  determined  to  have  low  toxicity  and  skin  irritation.  Those  results  showed  superior  physical  properties  such  as  high  ESD,  excellent  water  retention,  shear  recovery  and  self‐healing  properties  and  outstanding  biocompatibility  such  as  low  cytotoxicity  and  no  irritation reaction. Those great characters enabled improving in biomedical applications such  as wound dressing and injectable long‐term therapeutic mechanism. 

 

(7)

Contents 

中文摘要  ……….  i  Abstract  ………. iii  Contents ………..  v  Figure Captions  ……….. ix  Table Captions  ………  xiii  Scheme Captions  ………  xiv  Chapter 1 Introduction  …..………. 1  1‐1  Introduction  ……… 1  1‐2  Literature review  ………  6    1‐2‐1  Introduction of alginate based hydrogels  ………  6      1‐2‐1‐1  Formation of alginate hydrogels  ………  6      1‐2‐1‐2  Previous investigations of alginate based hydrogels  ………  8    1‐2‐2  Introduction of particulate carriers based on modified chitosan  ………  9      1‐2‐2‐1  Introduction of chitosan properties  ………  9      1‐2‐2‐2  Amphiphilic chemically‐modified chitosan as drug carrier  ……….  11  Chapter 2 Experimental Section  …………..……….…………..………..…………..…………...  14  2‐1  Materials and reagents  ……….  14  2‐2  Apparatus  ………  16 

(8)

2‐3  Synthesis of CHC/SAL composite hydrogels  ………..  17    2‐3‐1  Synthesis of amphiphilic chitosan (CHC) polymer  ………  17    2‐3‐2  Preparation of CHC/SAL combination solutions  ………  18    2‐3‐3  Formation of CHC/SAL composite hydrogels  ………  18  2‐4  Characterization of CHC/SAL composite hydrogels  ………  18    2‐4‐1  Gelation time measurement  ……….. 18    2‐4‐2  Equilibrium swelling degree test  ………... 19  2‐4‐3  Water retention test  ……….. 19  2‐5  Rheological properties of CHC/SAL composite hydrogels    .……… 20    2‐5‐1  Strain sweep test    ….………. 20    2‐5‐2  Small deformation test  ……….. 20    2‐5‐3  Strain step test    ……….. 21    2‐5‐4  Self‐healing test    ……….. 21  2‐6  Biomedical properties of CHC/SAL composite hydrogels    .……… 22    2‐6‐1  Protection of easily degradable drugs inside the composite hydrogels....……. 22    2‐6‐2  Drug release behavior  ………..…… 22    2‐6‐3  Cell culture – cytotoxicity assay  ………..  23    2‐6‐4  Animal study – skin irritation test  ………..  24  Chapter 3 Characterization analysis and discussion  ...………..  28 

(9)

3‐1  Hydrogel formation ………. 28    3‐1‐1  Prepared of stable CHC/SAL combination solutions  ………. 28  3‐1‐2  Formation of CHC/SAL composite hydrogels  ………  30    3‐1‐3  Gelation time measurement  ……….. 32  3‐2  Equilibrium swelling degree under various swelling medium  ………. 34  3‐3  Water retention test for swollen CHC/SAL composite hydrogels  ………. 37  Chapter 4 Rheological analysis and discussion    ...………...  39  4‐1  Strain sweep test  ………. 39    4‐1‐1  Typical dynamic mechanical properties for hydrogels  ………. 39    4‐1‐2  Effect of additive in alginate based hydrogels  ………...  41  4‐2  Small deformation test  ……….  45    4‐2‐1  Effect of calcium chloride concentration in gelation medium  ……….  45    4‐2‐2  Effect of glycerol concentration  ………..  47    4‐2‐3  Cohesion energy of composite hydrogels  ………  49  4‐3  Strain step test  ………. 50  4‐4  Self‐healing test  ………. 52  Chapter 5 Biomedical properties of CHC/SAL composite gels  ………....  55  5‐1  Protection of easily degradable drugs by incorporation in composite hydrogels  ……….  55  5‐2  Hydrophobic drugs delivery system by composite hydrogels   ………. 57 

(10)

  5‐2‐1  Effect of release environments  ………..  57    5‐2‐2  Effect of calcium chloride concentration in gelation medium  ……….  59    5‐2‐3  Effect of glycerol concentration in composite hydrogels  ………. 61    5‐2‐4  Drug delivery system kinetics analysis for composite hydrogels  ……….  63      5‐2‐4‐1  Kinetics analysis for two step drug delivery system  ………. 63      5‐2‐4‐2  Fickian diffusion model  ……….. 65  5‐3  Cell culture – cytotoxicity of CHC/SAL composite hydrogels  ………  68  5‐4  Animal study – primary irritation evaluation ………..  70  Chapter 6 Conclusion  ………...  74  Reference  ………  76       

(11)

Figure Captions 

Fig. 1‐1  The structure of of α‐ ‐guluronate (G) and β‐ ‐mannuronate (M) residues …………. 7 

Fig. 1‐2  Schematic representation of association of polyguluronate sequences by chelation  of Ca2+: “egg‐box model”. Below: Section; oxygen atoms coordinated to calcium are shown as  filled circles  ………..  7  Fig. 1‐3  The chemical structure of chitosan ……….. 11  Fig. 1‐4  Molecular structure of carboxymethyl‐hexanoyl chitosan (CHC)  ………. 13  Fig. 2‐1  Primary irritation test on the back of healthy rabbits  ………  27 

Fig. 3‐1  Equilibrium  swelling  degree  of  CHC/SAL  composite  hydrogels  (weight  ratio  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0)  as  a  function  of  CaCl2  concentration  in  gelation  medium.  Gels  were  submerged  in  di‐water,  medium  (α‐MEM)  or  SBF  for  2  days  to  reach  the  equilibrium  state. Values reported are an average of n = 3  ………..  36 

Fig. 3‐2  Water retention percentages over time for equilibrium swollen samples exposed to  25℃  and  54  %  relative  humidity.  The  samples  had  the  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0 and were prepared using different concentrations of CaCl2 in the gelation medium.  Values reported are an average of n = 3 ……….. 38 

Fig. 4‐1  Typical  dynamic  mechanical  properties  of  hydrogel  with  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0  prepared  by  exposure  to  3  wt%  CaCl2  using  strain  sweep  (γ 0.01%~100%) measurement  ………....  40 

(12)

Fig. 4‐2  Rheological  properties  of  hydrogels  with  weight  ratios  SAL/glycerol  =  1.5/0 

prepared  by  exposure  to  2  wt%  CaCl2  on  strain  sweep  (γ 0.01%~100%) measurements 

without CHC (a), with 0.5 wt% CHC (b), and with 1 wt% CHC (c)  ………  44 

Fig. 4‐3  Rheological  properties  by  the  small  deformation  test  (γ 0.015%~7%)  for 

samples  with  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/5  and  varying  CaCl2  concentration  in 

the gelation medium  ………. 46 

Fig. 4‐4  Rheological  properties  by  the  small  deformation  test  (γ 0.015%~7%)  for 

samples  with  weight  ratios  CHC/SAL  =  1/1.5  and  varying  glycerol  content,  prepared  by  exposure to 3 wt% CaCl2 ………. 48  Fig. 4‐5  Stress  induced  shear  reversible  properties  of  sample  with  weight  ratios 

CHC/SAL/glycerol =  1/1.5/0  prepared  by  exposure  to  3  wt%  CaCl2  in  continuous  step  strain 

measurements  ………  51 

Fig. 4‐6  Photographs illustrating the self‐healing properties for composite hydrogels. Here 

for  samples  colored  by  Trypan  blue  and  non‐colored  samples  with  the  same  weight  ratio  CHC/SAL/glycerol = 1/1/20 prepared by exposure to 2 wt% CaCl2 (a). A bridge constructed by 

connecting two gels of different color can be suspended horizontally (b) and held vertically  (c) ……… 54 

Fig. 5‐1  Stability  of  vitamin  C  in  di‐water  and  loaded  in  a  hydrogel  with  weight  ratio 

(13)

Fig. 5‐2  Release  of  retinoic  acid  encapsulated  in  CHC  nanoparticles  and  loaded  in  the 

CHC/SAL composite hydrogels with weight ratio CHC/SAL/glycerol = 1/1.5/0 in di‐water and  SBF. Values reported are an average of n = 3 ……….. 58 

Fig. 5‐3  Release  of  retinoic  acid  encapsulated  in  CHC  nanoparticles  and  loaded  in  the 

CHC/SAL composite hydrogels with weight ratio CHC/SAL/glycerol = 1/1.5/0 in di‐water with  different  concentrations  of  calcium  chloride  used  in  the  gelation  medium.  Values  reported  are an average of n = 3  ………. 60 

Fig. 5‐4  Release  of  retinoic  acid  encapsulated  in  CHC  nanoparticles  and  loaded  in  the 

CHC/SAL composite hydrogels with weight ratio CHC/SAL = 1/1.5 prepared by exposure to 2  wt% CaCl2 in di‐water with different concentrations of glycerol in the prepared gels. Values 

reported are an average of n = 3  ……….  62 

Fig. 5‐5  The agreement between the initial drug release profile (solid points) and prediction 

of Fickian release from hydrogel slab (line). CHC/SAL composite hydrogels with weight ratio  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0  release  (a)  in  di‐water  and  SBF;  (b)  in  di‐water  with  different  concentrations  of  calcium  chloride  used  in  the  gelation  medium.  (c)  CHC/SAL  composite  hydrogels with weight ratio CHC/SAL = 1/1.5 prepared by exposure to 2 wt% CaCl2 release in 

di‐water with different concentrations of glycerol in the prepared gels  ………. 67 

Fig. 5‐6  Human  fibroblast  survival  rate  on  CHC/SAL  composite  hydrogels  after  incubation 

(14)

exposure to 2 wt% CaCl2 loaded retinoic acid and the pure SAL gels also determined. Values 

reported are an average of n = 6  ……….  69   

 

(15)

Table Captions 

Table 2‐1 1.5 times concentration of simulated body fluid (SBF)  ………  15  Table 2‐2 Draize‐FHSA Model ……….  25  Table 2‐3 Draize‐FHSA Scoring System  ……….. 26  Table 2‐4 Evaluation of Primary Irritation Index  ………..  26  Table 3‐1 Gelation time of various condition hydrogels ……… 33 

Table 4‐1 Critical  strain  and  cohesion  energy  of  CHC/SAL  (weight  ratio  =  1/1.5)  gels  under  various conditions  ………  49 

Table 5‐1 R  square  and  diffusion  coefficient  values  for  all  release  conditions  under  the  agreement to Fickian diffusion for the first stage release  ………  67  Table 5‐2 The evaluated values for dermal observations at 24 hours.  A group means where  no scratch before sample dressing; B group means where scratch before sample dressing .. 71  Table 5‐3 The evaluated values for dermal observations at 48 hours.  A group means where  no scratch before sample dressing; B group means where scratch before sample dressing .. 72  Table 5‐4 The evaluated values for dermal observations at 72 hours.  A group means where  no scratch before sample dressing; B group means where scratch before sample dressing .. 73  Table 5‐5 Response to sensitization in rabbits  ………..  73     

(16)

Scheme Caption

 

Scheme 3‐1  Molecular  structure  of  modified  amphiphilic  chitosan  (CHC)  and  sodium 

alginate (SAL) and the suggested crosslink network after gelation by CaCl2 rich medium  .. 31  Scheme 4‐1  Steric effect by large molecular size of CHC nanoparticles  ………. 44  Scheme 5‐1  Two different drug loading mode and their release ways  ………. 64   

(17)

Chapter 1  Introduction 

1‐1  Introduction 

With the rapidly evolving knowledge in the biomedical field of today there is increasing  demand for materials that can meet the needs of new applications. One specific application  is  depot  systems  for  sustained  drug  delivery.  Depot  systems  hold  the  benefit  of  providing  sustained  drug  release  over  long  times,  as  well  as  being  able  to  provide  local  therapeutic  effect. There are several challenges in the design of materials to be used in such systems. The  materials  should  allow  for  high  loading  of  hydrophobic  drugs  and  control  of  the  release  process1. In the case of implantable depot systems the administration should be easy, such as  injectable in vivo gelling formulations. Furthermore, the materials should be biocompatible  in their given application. Obviously, the materials used should be non‐toxic, and non‐irritant  for  transdermal  applications.  For  implantable  devices  the  mechanical  properties  of  the  device are of great importance as well, it has been stated that “the mechanical property of  the interface between an implant and its surrounding tissues is critical for the host response  and the performance of the device2.” 

Chitosan  and  alginate  are  two  natural  polymers  that  are  biodegradable,  biocompatible,  non‐toxicity, and mucoadhesive3. Because of those desirable properties they are commonly  used in biomedical applications as drug delivery systems, tissue engineered scaffold, and in  food industry as stabilizers, thickeners and gelling agents3‐7. Amphiphilic chemically‐modified 

(18)

chitosan,  named  carboxymethyl‐hexanoyl  chitosan  (CHC),  has  been  synthesized  in  an  aqueous  system  without  the  aid  of  surfactants,  organic  solvents,  emulsion  phases,  or  template  cores,  to  form  a  hollow  nanocapsule6,  7.  The  CHC  has  excellent  encapsulating  efficient for hydrophobic drugs due to its self‐assembly properties. The hydrophobic regions  interact  in  aqueous  solution  and  should  promote  the  incorporation  of  hydrophobic  drugs.  Alginate  is  a  linear  block  copolymer  by  linear  and  anionic  polysaccharides  composed  of  homopolymeric  blocks  of  α‐ ‐guluronate  (G)  and  β‐ ‐mannuronate  (M)  residues3,  8,  9.  The  relative number of M‐ or G‐blocks depends on the origin of alginate. Alginate polymers have  not  been  found  to  accumulate  in  any  major  organs  and  show  evidence  of  in  vivo  degradation8.  The  most  important  property  of  alginates  is  their  ability  to  form  gels  by  interaction with divalent cations such as Ca2+. The gelation and cross‐linking of the polymers  are  mainly  achieved  by  interaction  between  the  carboxyl  groups  and  the  divalent  cations,  and the stacking of these G‐blocks to form the characteristic egg‐box structure3, 10‐12. Besides,  sodium alginate (SAL) also has the ability to form gels by the exchange of sodium ions from  the G‐blocks with the divalent cations. 

In  recent  therapeutic  applications,  an  important  challenge  is  to  overcome  the  problem  with  achieving  high  loading  of  hydrophobic  drugs  and  to  control  the  release  process1.  The  advantage of amphiphilic copolymers or modified polymer micelles for drug delivery systems  is based on the characteristic that such polymer materials tend to form micelles, having size 

(19)

on  the  nanoscale  and  the  ability  to  encapsulate  and  release  hydrophobic  compounds.  In  addition,  such  drug  carriers  can  commonly  be  designed  to  be  biocompatible  and/or  biodegradable13‐15.  Amphiphilic  copolymers  or  modified  polymers  have  been  found  to  self‐assemble into nanoscale micelle‐like structures, defined by their core‐shell architecture  in aqueous solution15‐17. The incorporation of hydrophobic drugs into such polymer micelle  nanoparticles  provides  a  feasible  method  to  overcome  the  poor  solubility  of  such  drugs  in  aqueous  solution  and  is  applicable  to  numerous  applications,  for  example,  hydrogel  based  drug  delivery  systems.  Gou  et  al.  presented  the  idea  to  combine  a  nanoscale  carrier  and  hydrogel  into  a  composite  dual  structure  delivery  system  for  hydrophobic  drug  release18,  inspired  by  similar  reports  about  micro‐  or  nano‐particles  in  thermo‐sensitive  hydrogel  composite drug delivery systems19, 20. 

Particulate  additives,  which  are  dispersed  in  a  gel  network,  can  have  drastic  impact  on  the rheological properties, depending on additive concentration, modulus and the extent of  addition‐gel matrix interaction21‐23. Taking the attributes of the fillers and the gel matrix into  consideration, two ultimate cases can be discriminated: (1) No interaction between the gel  matrix  and  the  dispersed  particles;  this  result  causes  a  decrease  in  gel  modulus  with  increasing  polymer  volume  fraction.  (2)  A  strong  interaction  between  the  fillers  and  the  matrix;  this  result  causes  an  increase  in  modulus  of  the  gel  with  the  increasing  polymer  volume fraction if the filler material is stiffer than the gel matrix24. If the fillers have a much 

(20)

low particle size comparing with gel matrix and no interaction with the matrix, there will be  no  effect  on  rheological  properties.  This  phenomenon  was  presented  on  an  alginate  gel  matrix with glycerol or low molecular weight dextran as fillers which showed an increasing  viscosity in gel liquid phase but no effect in gel rheological properties25, 26. In addition, if the  fillers  are  small  but  interact  strongly  with  the  matrix,  they  may  act  crosslinking,  thus  increasing  the  modulus.  As  an  example,  it  has  been  shown  that  the  addition  of  a  small  amount of cellulose nanofibers can cause a significant increase of mechanical properties for  composite gels27 as compared to the reference sample28, 29. 

The rheological properties of hydrogel systems are of great importance. For applications,  the  rheological  properties  in  many  cases  determine  the  performance  of  a  device,  for  implantable  devices  it  has  actually  been  proposed  that  “the  mechanical  property  of  the  interface between an implant and its surrounding tissues is critical for the host response and  the performance of the device”.2 In addition, the rheological properties of hydrogel samples  provide important information on the structure and interactions present in the samples. 

In  this  study,  amphiphilic  chitosan  was  successfully  synthesized  in  this  lab  and  used  as  hydrophobic drug carrier. The composite gels of sodium alginate and micelle‐like amphiphilic  carboxymethyl‐hexanoyl  chitosan  nanoparticles  were  prepared  in  various  compositions,  varying the SAL and CHC content, the amount of glycerol in the gel forming solution and the  amount  of  calcium  chloride  in  the  gelation  media.  The  composite  gels  were  characterized 

(21)

with  regard  to  a  number  of  properties  such  as;  gelation  time,  equilibrium  swelling,  rheological properties and self‐healing, protection of drug versus degradation and release of  hydrophobic  drugs.  The  dependences  of  the  gel  properties  on  the  compositions  of  the  hydrogels were then discussed. 

(22)

1‐2  Literature review 

1‐2‐1 

Introduction of alginate based hydrogels 

1‐2‐1‐1  Formation of alginate hydrogels 

Alginate is a linear block copolymer by linear and anionic polysaccharides composed of  homopolymeric blocks of α‐ ‐guluronate (G) and β‐ ‐mannuronate (M) residues as shown in  Fig.  1‐1.  The  gelation  of  alginate  can  be  carried  out  under  an  extremely  mild  environment  and  uses  non‐toxic  reactants.  Alginate  based  hydrogels  can  be  prepared  by  extruding  a  solution  of  sodium  alginate  containing  the  desired  protein,  as  droplets,  in  to  a  divalent  cross‐linking  solution  such  as  Ca2+,  Sr2+,  or  Ba2+.  Monovalent  cations  and  Mg2+  ions  do  not  induce  gelation30.  The  gelation  and  cross‐linking  of  the  polymers  are  mainly  achieved  by  interaction between the carboxyl groups and the divalent cations, and the stacking of these  G‐blocks  to  form  the  characteristic  egg‐box  structure.  The  divalent  cations  bind  to  the  α‐ ‐guluronate (G) acid blocks in a highly cooperative manner and the size of the cooperative  unit is more than 20 monomers31. Each alginate chain dimerizes to form junctions with many  other chains and as a result gel networks are formed. 

(23)

   

Fig. 1‐1  The structure of of α‐ ‐guluronate (G) and β‐ ‐mannuronate (M) residues30.        Fig. 1‐2  Schematic representation of association of polyguluronate sequences by chelation  of Ca2+: “egg‐box model”. Below: Section; oxygen atoms coordinated to calcium are shown as  filled circles30.       

(24)

1‐2‐1‐2  Previous investigations of alginate based hydrogels

 

The  functional  and  physical  properties  of  cation  crosslinked  alginate  hydrogels  are  dependent  on  the  composition,  sequential  structure,  and  molecular  size  of  polymers.  The  flexibility  of  the  alginate  polymers  in  solution  increases  in  the  other  MG MM GG32.  Hydrogels with the lowest shrinkage, highest mechanical strength, highest porosity, and best  stability  towards  monovalent  cations  are  made  from  alginate  with  an  α‐ ‐guluronate  acid  content  greater  than  70  %  and  an  average  length  of  the  α‐ ‐guluronate  acid  blocks  higher  than  15.  The  gel  strength  is  independent  of  the  molecular  weight33.  However,  for  lower  molecular weight alginates, there is a certain critical molecular weight below which the gel  forming  properties  of  alginates  are  reduced34.  There  are  many  factors  involved  in  determining the successful application of polymers as drug delivery carriers in humans, with  polymer  biocompatibility  or/and  immunogenicity  being  two  of  the  more  important  issues.  There  are  numerous  reports  addressing  the  fibrotic  reaction  of  implanted  alginates.  Most  authors  agree  that  the  chemical  composition  and  the  mitogenic  contaminants  found  in  alginates  are  the  two  main  contributors  to  alginate  immunogenicity35‐37.  The  bioadhesive  property which could serve as a potential advantage in mucosal drug delivery is one of the  biological  properties  for  alginate.  The  term  bioadhesion  can  be  generally  defined  as  the  adhesion or contact between two surfaces, with one being a biological substratum38. Peppas  and  colleagues  believed  that  mucoadhesion  is  achieved  by  chain  penetration  across  a 

(25)

polymer‐mucosa  interface39.  Mucoadhesive  drug  delivery  systems  work  by  increasing  the  drug  residence  time  at  the  site  of  activity  or  resorption.  This  mucoadhesive  feature  of  alginate may aid in its utility as a potential delivery vehicle for drugs to mucosal tissues. The  adherence  of  these  microbeads  to  the  mucosal  tissues  localizes  the  drug  and  delays  the  protein  transit  time,  therefor  potentially  improving  the  overall  drug  effectiveness  and  bioavailability.  By  selection  of  the  appropriate  alginate  type,  gelation  conditions,  added  excipients,  and  coating  agents,  matrices  of  various  morphologies,  pore  size,  water  content  and dehydration rates can be fabricated. 

 

1‐2‐2 

Introduction of particulate carriers based on modified chitosan

 

1‐2‐2‐1  Introduction of chitosan properties 

Chitosan  is  a  linear  copolymer  polysaccharide  consisting  of  β(1‐4)‐linked  2‐amino‐2‐deoxy‐ ‐glucose  ( ‐glucosamine)  and  2‐acetamido‐2‐deoxy‐ ‐glucose  (N‐acetyl‐ ‐glucosamine) units as shown in Fig. 1‐3. The term chitosan is used to describe a  series  of  polymers  of  different  degrees  of  deacetylation  (DD),  defined  in  terms  of  the  percentage  of  primary  amino  groups  in  the  polymer  backbone,  from  chitin  by  alkaline  hydrolysis  at  high  temperature  and  average  molecular  weights  (MW).  The  DD  of  typical  commercial chitosan is usually between 70 % and 95 %, and the MW between 10 and 1000  kDa.  The  properties,  biodegradability  and  biological  role  of  chitosan  are  frequently 

(26)

dependent  on  the  relative  proportions  of  N‐acetyl‐ ‐glucosamine  and  ‐glucosamine  residues. 

Chitosan has been widely used in food industry and biomedical filed by their excellent  biological  properties  such  as  biocompatibility,  biodegradability,  nontoxicity,  and  mucoadhesiveness. Chitosan is metabolized by certain human enzymes, especially lysozyme,  and  is  considered  biodegradable40.  However,  the  poor  soluble  character  in  water  and  common  organic  solvent  of  chitosan  has  been  limited  its  wide‐spread  utilization.  Hence,  many  researchers  utilize  an  important  property  of  chitosan  that  can  undergo  chemical  modification  very  easily.  The  presence  of  free  amino  groups  in  the  backbone  of  chitosan  contributes  to  increase  the  reactivity  of  the  polymer.  Chitosan  can  therefore  be  readily  modified by reactions at the amino groups. This property provides an opportunity to improve  the  chemical  and  mechanical  properties  of  chitosan  for  the  purpose  of  wide  biological  applications.  Consequently,  hydrophilically,  hydrophobically,  and  amphiphilically  modified  chitosan  derivatives  are  investigated  to  improve  the  solubility.  Besides,  several  covalent  modifications are also studied to improve the drug delivery properties of chitosan. By simple  covalent modifications of the polymer such as thiolated chitosan and trimethylated chitosan,  its  physicochemical  properties  can  be  changed  and  can  be  made  suitable  for  further  biomedical applications such as oral drug delivery system. 

(27)

    Fig. 1‐3  The chemical structure of chitosan3.     

1‐2‐2‐2  Amphiphilic chemically‐modified chitosan as drug carrier 

In our laboratory, a new type of chitosan hollow structure, i.e., carboxymethyl‐hexanoyl  chitosan  (CHC)  as  shown  in  Fig.  1‐4,  which  was  modified  first  by  hydrophilic  carboxymethylation to increase the flexibility of chitosan molecular chains in water followed  by  hydrophobic  modification  with  hexanoyl  groups  to  add  amphiphilic  character,  was  employed  to  study  its  self‐aggregation  behavior  to  form  nanocapsule  in  aqueous  solution  and nanostructural evolution. The stability of nancapsules and formation mechanism of the  CHC  macromolecules  were  explored  through  the  use  of  critical  aggregation  concentration  (CAC),  zeta  potential,  electron  microscopy,  and  dynamic  light  scatter  (DLS).  By  taking  the  advantage  of  self‐aggregation  nature,  the  CHC  was  employed  to  encapsulate  doxorubicin  (DOX),  an  anticancer  agent  of  broad  spectrum  with  reasonable  therapeutic  index  and  intriguing  biological  and  physicochemical  actions41,  to  further  understand  its  loading  efficiency  and  release  behavior.  Liu  et  al.  found  that  the  amphiphilic  chitosan  (CHC)  was 

(28)

employed  to  self‐assemble  into  a  hollow  nanocapsule  in  an  aqueous  environment.  The  self‐assembly behavior of the CHC is fundamentally determined as an interplay between the  hydrophobic interaction and the variation of the zeta potential upon hexanoyl substitution,  which further influenced the nanostructural evolution of the nanocapsules. Higher hexanoyl  substitution  promoted  larger  nanocapsules,  ca.  200  nm  in  diameter,  while  a  reduced  zeta  potential was correspondingly detected, and vice versa, forming smaller nanocapsules, ca. 20  nm  in  diameter.  The  self‐assemble  mechanism,  together  with  the  corresponding  nanostructural  stability,  of  this  unique  CHC  nanocapsule  was  also  proposed  in  terms  of  intermolecular  interaction  and  thermodynamic  reason.  By  taking  the  advantage  of  the  self‐assemble (or self‐aggregation) capability, the CHC was employed for drug encapsulation,  i.e.,  doxorubicin,  an  anticancer  molecule;  we  found  in  this  preliminary  evaluation  that  it  reached an efficiency of 46.8 %, and a corresponding drug release from the nanocapsules for  a time period exceeded 7 days can be achieved in vitro.         

(29)

    Fig. 1‐4  Molecular structure of carboxymethyl‐hexanoyl chitosan (CHC)6.         

(30)

Chapter 2  Experimental Section 

2‐1  Materials and reagents 

1. Chitosan  MW = 210000, degrees of deacetylation = 91.3 %, C&B company.  2. Isopropanol  MW = 60.10, ACS grade, TEDIA.  3. Sodium hydroxide  MW = 40.00, SHOWA.  4. Chloroacetic acid  MW = 94.50, J.T. Baker.  5. Methanol  MW = 32.04, ACS grade, TEDIA.  6. Haxanoic anhydride  MW = 214.31, 99 % purity, ACROS.  7. Ethanol  MW = 46.07, ACS grade, TEDIA.  8. Dialysis tubing cellulose membrane   avg. flat width 33 mm (1.3 in.), Retains > 90 % of  cytochrome C (MW = 12400) in solution over a 10 hour period, SIGMA. 

9. Sodium alginate  from  brown  algae,  viscosity  of  2  %  solution  at  25℃  ~  250  cps,  SIGMA 

10. Glycerol  MW = 92.09, purity = 99 %, Riedel‐de Haën.  11. Calcium chloride  Mw = 110.98, SHOWA. 

12. Olive oil  viscosity at 20℃  ~ 84 cps, SIGMA.  13. Trypan blue  0.4 % solution, SIGMA. 

14. L‐(+)‐ascorbic acid  (vitamin C), MW = 176.12, J.T. Baker.  15. Retinoic acid  (vitamin A), MW = 300.43, SIGMA. 

(31)

16. WS1  (human fetal skin fibroblast cell lines, derice from BCRC; BCRC number: 60300)  17. Simulated body fluid   (SBF),  1.5  times  concentration,  prepared  by  myself, 

composition shows in Table 2‐1.  18. Phosphate buffered saline  (PBS), UniRegion Bio‐tech.  19. Minimum essential medium  (MEM),    20. Fetal bovine serum  (FBS), Sigma.  21. Non‐essential amino acids  10mM, Gibco.  22. Sodium pyruvate  100mM, Gibco.  23. Trypsin EDTA  Sigma.  24. 3‐(2,5‐dimethylthiazol‐w‐yl)‐2,5‐diphenylterazolium bromide  (MTT reagent)  25. New Zealand white rabbits  (animal study)     

Component  Na+  K+  Mg2+  Ca2+  Cl‐  HCO3‐  HPO42‐  SO2‐ 

Concentration  213.0  7.5  2.3  3.8  281.7  6.3  1.5  0.8  Unit:  (mM) 

Table 2‐1 1.5 times concentration of simulated body fluid (SBF) 

(32)

2‐2  Apparatus 

1. Magnetic stirrer  (MS‐211, Fargo Instruments Co.)  2. Electronic balance  (Precisa, XS225A, Swiss Made)  3. Freeze dry system  (FreeZone 4.5 Liter, LABCONCO)  4. Cooling centrifuges  (Z326K, Hermle Labortechnik GmbH)  5. UV‐vis spectrometer (Evolution 300, Thermo scientific)  6. Rheometer  (Rheological Scientific, ARES instrument)  7. Incubator  (NUAIRE)  8. Autoclave  (TOMIN)  9. ELISA (DV990BV4, GDV)  10. Fluorescence Microscopy (D‐eclipise C1, Nikon)     

(33)

2‐3  Synthesis of CHC/SAL composite hydrogels 

2‐3‐1 

Synthesis of amphiphilic chitosan (CHC) polymer 

Amphiphilic  chemically‐modified  chitosan,  named  carboxymethyl‐hexanoyl  chitosan  (CHC), has been synthesized in previous studies6, 7. Briefly, 5 g of chitosan was suspended in  50  ml  isopropanol  and  stirred  for  30  min  at  room  temperature.  Then  the  well‐suspended  chitosan suspension was slowly mixed by instilling total 12.5 ml of 13.3 N sodium hydroxide  solutions. To acquire a hydrophilic chitosan with a high degree of carboxymethyl substitution,  named  carboxymethyl  chitosan  (CC),  25  g  chloroacetic  acid  was  added  into  the  prepared  chitosan  suspension  at  least  five  times  in  batches  and  stirred  for  30  min  to  make  sure  all  chloroacetic acid dissolved. The resulting suspension was heated to 60℃  under an oil bath  for  4  hours  and  then  followed  by  suction  filtration  method  washing  by  500  ml  dilute  methanol (90 % v/v). The resulting muddy solid was dried at 60℃  for one day. Taking 2 g of  the  dried  CC  sample  dissolved  in  50  ml  distilled  water  one  day  and  mixed  with  50  ml  methanol  after  CC  samples  completely  dissolved.  To  gain  the  hydrophobic  long  carbon  chains,  1.4  ml  hexanoyl  anhydride  was  added  for  a  final  concentration  of  0.5  M.  After  12  hours reaction process, the mixture solution was dialyzed with a dialysis membrane against  dilute  ethanol  (75  %  v/v)  for  one  day  and  pure  ethanol  for  another  one  day.  The  dialyzed  samples  were  dried  by  oven  at  60℃  for  one  day  and  the  dried  samples  were  amphiphilic  chitosan (CHC) for the following using. 

(34)

2‐3‐2 

Preparation of CHC/SAL combination solutions 

A 2 wt% CHC solution was prepared in a vial, using sodium hydroxide solution to adjust  the pH value of the CHC solution to slightly alkaline (pH = 7.5 ‐ 8.5). CHC/SAL combination  solutions with different compositions were formed by mixing CHC solution containing 0, 5, or  10 % glycerol) with an equal volume SAL solution, having a concentration of 2, 3, or 4 wt%.   

2‐3‐3 

Formation of CHC/SAL composite hydrogels 

Composite  hydrogels  were  formed  in  the  presence  of  various  calcium  ions  concentrations by submerging 2 ml of CHC/SAL combination solution in a glass Petri dish into  50 ml of 1, 2, or 3 wt% calcium chloride solutions at room temperature.   

2‐4  Characterization of CHC/SAL composite hydrogels 

  In this section, the fundamental physical properties such as gelation  time, equilibrium  swelling degree, and water retention percentage were investigated to characterize CHC/SAL  composite hydrogels under various components and concentrations of gelation medium.   

2‐4‐1 

Gelation time measurement 

The time to form a gel (designated as gelation time) was determined using a vial tilting  method, where no flow within 1 min of inverting the vial was criterion for gel state42, 43. Main 

(35)

gelation factors such as sodium alginate (1, 1.5, and 2 wt%) and calcium chloride (1, 2, and 3  wt%) in gelation medium were controlled in this study. 

 

2‐4‐2 

Equilibrium swelling degree test 

To  determine  the  equilibrium  swelling,  samples  of  about  2  g  of  a  gel  made  from  CHC/SAL  were  lyophilized  by  Freeze  dry  system  (FreeZone  4.5  Liter,  LABCONCO)  and  weighted (Wd). The dried hydrogels were immersed in di‐water, medium (α‐MEM+10% FBS), 

or SBF for 1 day until equilibrium swelling state had been attained. After removal of water  from  the  surface  of  swollen  hydrogels,  the  samples  were  weighted  (Ws).  The  equilibrium 

swelling degree (ESD) was calculated using the following equation:  ESD ⁄            (2‐1)   

2‐4‐3 

Water retention test 

Equilibrium swollen gels, were subsequently dried at 25℃  and 54 % relative humidity.  At predetermined time points, the samples were weighted (Wr) and the water retention ratio  (WR) was calculated using the following equation:  WR ⁄       (2‐2)     

(36)

2‐5  Rheological properties of CHC/SAL composite hydrogels 

Rheological characterization of the  CHC/SAL composite hydrogels was  performed on a  strain‐controlled  rheometer  (Rheological  Scientific,  ARES  instrument)  using  parallel‐plate  fixture. Olive oil was used to cover the surface of the composite hydrogels in order to avoid  water evaporation during the analysis. The gap at the apex of the parallel‐plate was set to be  2 mm and samples were placed between the parallel‐plate and the platform.   

2‐5‐1 

Strain sweep test 

The dynamic mechanical properties of CHC/SAL composite hydrogels were characterized  by  strain  sweep  test  (γ 0.01%~100%)  using  a  fixed  frequency  (ω 10 ⁄ )  and  a  temperature of 37℃. 

 

2‐5‐2 

Small deformation test 

The  difference  of  dynamic  mechanical  properties  under  various  concentrations  of  glycerol and CaCl2 in gelation medium studied by small deformation test (γ 0.015%~7%) 

using a fixed frequency (ω 10 ⁄ ) and a temperature of 37℃.   

   

(37)

2‐5‐3 

Strain step test 

To investigate the recovery properties of the samples after exposure to high shear strain,  the following program was applied: γ= 0.1% (100s) →γ= 100% (100s) →γ= 0.1% (200s) →γ=  100% (200s) →γ= 0.1% (300s).   

2‐5‐4 

Self‐healing test 

To  investigate  the  self‐healing  capability  of  the  composite  hydrogels,  two  types  of  samples were prepared, one was colored by Trypan blue and the other was a pure hydrogel.  The  samples  were  cut  into  the  size  of  3cm 1cm 0.5cm  and  the  freshly  produced  surfaces of two samples with different color were brought together within one minute. After  allowing healing to proceed for one, the healed composite hydrogel bridge was suspended  horizontally and vertically. 

(38)

2‐6  Biomedical properties of CHC/SAL composite hydrogels 

2‐6‐1 

Protection of easily degradable drugs inside the composite hydrogels 

To determine the protective action of our composite hydrogels, the degradation of drug  loaded inside the hydrogels was compared with the degradation of drug in water solution. As  a  model  drug  the  easily  degradable  Vitamin  C  (L‐ascorbate)  was  chosen.  Vitamin  C  was  separately  dissolved  (1  mg/ml)  in  water  and  2  %  CHC  solution.  To  form  a  gel  film,  we  designed a mold to produce  5cm 3cm 0.1mm  thin films and prepared a pure gel film  as  background  in  the  UV‐analysis.  At  predetermined  time  points  the  concentration  of  remaining  vitamin  C  was  determined  through  the  absorbance  at  270  nm,  using  a  spectrophotometer (Evolution 300, Thermo scientific).   

2‐6‐2 

Drug release behavior 

Retinoic acid released from different preparations of CHC/SAL composite hydrogels was  determined in various release environments. A stock solution of retinoic acid was prepared  by dissolving 100 mg of retinoic acid in 50 ml isopropanol (IPA). CHC solution with drug was  prepared by diluting the stock solution to achieve a final retinoic concentration 100 ⁄ ,  subsequently CHC nanoparticles were added to reach a concentration of 2 wt% CHC. Using  the  process  mentioned  in  section  2‐3‐3,  composite  hydrogels  with  different  compositions  were  prepared.  To  investigate  the  release  profiles  for  the  drug‐loaded  CHC/SAL  composite 

(39)

hydrogels,  samples  were  submerged  in  3  ml  di‐water  or  SBF.  At  predetermined  times  1  ml  samples  were  extracted  and  centrifuged  at  12000  rpm  for  5  min.  Subsequently,  the  drug  concentration  in  the  supernatant  was  determined  from  the  absorbance  at  340  nm  using  a  UV‐Vis  spectrophotometer  (Evolution  300,  Thermo  scientific).  The  extracted  volume  was  replaced with an equal volume of fresh dissolution medium, which was accounted for in the  release calculations. 

 

2‐6‐3 

Cell culture – cytotoxicity assay 

WS1  human  fetal  skin  fibroblast  cell  lines  (BCRC  number:  60300)  were  grown  in  minimum essential medium (Gibco) (MEM) with 10 % FBS, 0.1 mM non‐essential amino acids,  and  1.0  mM  sodium  pyruvate.  The  cells  were  incubated  at  37℃,  in  a  5  %  CO2  humidified 

atmosphere. The culture medium was changed every two to three days. For all experiments,  cells  were  harvested  from  sub‐confluent  cultures  using  trypsin  and  were  re‐suspended  in  fresh complete medium before plating. To investigate the in vitro cytotoxicity of the CHC/SAL  composite gel, viability of human WS1 fetal skin fibroblasts was analyzed with the MTT assay.  CHC/SAL  gels  were  formed  from  0.5ml  combination  solution  with  the  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol = 1/1.5/0 prepared by exposure to 2 wt% CaCl2. Two kinds of samples, one 

loaded with 100  ⁄   retinoic acid and the other without drug (pure gel), were prepared  in the 24‐well plates. Besides, pure sodium alginate gels (1.5 wt%) prepared by exposure to 2 

(40)

wt%  CaCl2  were  also  determined  to  compare  with  CHC/SAL  composite  gels.  The  control 

group was determined without any gels and set as 100 %  survival ratio. Briefly, 3×104 cells  were plated in 24‐well plates to allow the cells to attach at 37℃  in an atmosphere with 5 %  CO2. After 1 or 2 days incubation, 100 μl of volume ratios MTT/medium = 1/9 combination 

solution  was  added  and  incubation  was  continued  for  another  4  hours.  Then,  DMSO  was  added to solve the precipitate, which formed from the reaction between MTT reagents and  live cells, and the solution was transferred to a 96‐well plate. The result solution absorbance  values  were  determined  at  595  nm  using  a  Sunrise  absorbance  microplate  reader  (DV990/BV4, GDV Programmable MPT Reader). 

 

2‐6‐4 

Animal study – skin irritation test 

The  Draize  model  and  its  modification  such  as  UNI  EN  ISO10993‐10:1996  and  USP  Biological Tests are generally used to examine the degree of skin primary irritation utilizing  healthy  rabbits44‐46.  Following  the  Draize  model,  the  back  of  healthy  male  New  Zealand  White  rabbits  were  narrowly  clipped  free  of  fur  with  an  electric  clipper  4  hours  before  application  of  samples.  Each  rabbit  received  six  parallel  epidermal  abrasions  with  a  sterile  needle  (26G 1 2 0.45mm⁄ 13mm)  at  one  test  site  while  the  skin  at  the  opposite  site  remained  intact.  Samples  were  prepared  by  coating  a  total  of  0.5  ml  gel  (weight  ratios  CHC/SAL/glycerol = 1/0.5/0 and 1/1.5/0 prepared by exposure to 2 wt% CaCl2) on fixed size 

(41)

with a non‐reactive tape and the entire test site was swathed with a non‐occlusive bandage.  After  a  24  hours  treatment,  the  bandage  and  gauze  sample  were  removed.  The  test  sites  were swabbed with physiological saline solution to remove any remaining test article residue.  The procedure adopted in the U.S. Federal Hazardous Substance Act (FHSA)47 is described in  Table 2‐2. 

At  24,  48,  and  72  hours  after  sample  application,  the  test  sites  were  evaluated  for  dermal reactions, defined as erythema and edema, with Draize – FHSA scoring system (Table  2‐3).  The  score  of  primary  irritation  of  the  test  was  calculated  for  various  dosages.  The  Primary  Irritation  Index  was  calculated  as  the  arithmetical  mean  and  the  evaluation  of  PII  was performed according to the categories showed in Table 2‐4. The following formula was  used to calculate the primary irritation index45, 46: 

PII

∑ , , ∑ , ,            (2‐3)      Number of animals  6 rabbits (clipped) 

Test sites  2 1 inch   sites on dorsum  One site intact, the other abraded  Test materials  Applied undiluted to both test sites  Liquids: 0.5ml; Solids/semisolids: 0.5g.  Occlusion  1   surgical gauze over each test sites  Rubberized cloth over entire trunk  Occlusion period  24 hours  Assessment  Visual scoring system after 24, 48, and 72hours   

(42)

Reaction  Score  Erythema and eschar formation    No erythema  0  Very slight erythema (barely perceptible)  1  Well‐defined erythema  2  Moderate to severe erythema  3  Severe erythema (beet redness) to slight eschar formation (injuries in depth)  4  Edema formation  No edema  Very slight edema (barely perceptible)  Slight edema (edges of area well defined by definite raising)  Moderate edema (raised approximately  1mm)  Severe edema (raised more than  1mm  and extending beyond the area of exposure)    0  1  2  3  4    Table 2‐3 Draize‐FHSA Scoring System        Index  Evaluation  0.00  No irritation  0.04 – 0.99  Irritation barely perceptible  1.00 – 1.99  Slight irritation  2.00 – 2.99  Mild irritation  3.00 – 5.99  Moderate irritation  6.00 – 8.00  Severe irritation    Table 2‐4 Evaluation of Primary Irritation Index     

(43)

   

Fig. 2‐1  Primary irritation test on the back of healthy rabbits. 

 

(44)

Chapter 3  Characterization analysis and discussion 

3‐1  Hydrogel formation 

3‐1‐1 

Prepared of stabile CHC/SAL combination solutions 

To  the  authors’  knowledge,  there  has  to  date  been  no  reported  method  to  provide  a  steady  combination  solution  with  chitosan  and  sodium  alginate.  This  owing  to  two  main  reasons:  (1)  the  opposite  charge  of  the  polymers  which  leads  to  electrostatic  attraction  promoting  aggregation8;  (2)  the  property  of  sodium  alginate  forming  an  acid  gel  by  the  addition of acidic chitosan solution3. This study focused on the compatibility and stability of  the combination solution for realistic applications and characterization of a calcium chloride  induced  gelation  of  the  CHC/SAL  combination  solution,  with  the  resulting  composite  gel  being  characterized  with  regard  to  dynamic  mechanical  properties  and  potential  as  a  drug  delivery platform. 

Ordinarily,  an  acidic  chitosan  solution  would  rapidly  produce  a  hydrated  precipitate  upon  addition  of  a  strong  base,  such  as  NaOH.  This  due  to  the  reduced  positive  charge  density along the chitosan chains (NH3+). The neutral chains would interact strongly through 

hydrogen  bonding  and  hydrophobic  interactions  between  chains.  In  this  study,  amphiphilic  carboxymethyl‐hexanoyl  chitosan  (CHC)  was  used  because  of  its  proven  potential  as  a  hydrophobic  drug  carrier,  utilizing  self‐assembly6.  To  prevent  the  phenomenon  of  aggregation  and  acid  gel  formation,  the  amphiphilic  CHC  solution  was  adjusted  to  slightly 

(45)

alkaline  (pH=7.5~8)  before  combination  with  the  sodium  alginate  solution.  There  was  no  hydrated  precipitate  but  only  a  little  agglomerate  when  the  amphiphilic  CHC  solution  was  adjusted to weak base upon addition NaOH. This because of the steric effect from the long  hexanoyl  groups  prevents  hydrogen  bonding  between  CHC  chains48  and  because  the  self‐assembly property into a micelle structure may further reduce the aggregation tendency.  At this pH value, the zeta potential of the CHC solution would be close to neutral, because  the isoelectric point (IEP) was determined to be about 7.5 in previous study6. The fact that  the modified chitosan is neutrally charged, and soluble at slightly alkaline pH, allows for the  successful  combination  with  sodium  alginate.  Subsequently,  hydrogels  can  be  formed  by  exposing  the  combination  solution  to  gelation  medium  (calcium  chloride  solution  in  this  study). 

(46)

3‐1‐2 

Formation of CHC/SAL composite hydrogels 

SAL  is  well  known  to  form  a  strong  gel  upon  exposure  to  calcium  ions.  The  calcium  cross‐links  the  alginate  chains  by  replacing  sodium  ions  with  calcium  ions  to  form  the  well‐known  “egg  box”  structure  by  electrostatic  force  between  guluronic  groups  expressed  on different alginate chains and bridging calcium ions. Thus, the gelation process was mainly  driven  by  electrostatic  attractions  (ionic  bonding)  between  Ca2+  ions  and  the  SAL  matrix.  However,  several  other  types  of  interactions,  such  as  hydrogen  bonding,  electrostatic  repulsion,  and  hydrophobic  interactions  should  also  be  present  in  the  gel  system.  The  hydrophilic  carboxymethyl  and  hydrophobic  hexanoyl  substitutions  of  CHC  induces  self‐assemble  into  micelles  having  diameters  in  the  range  50‐200  nm  when  the  CHC  concentration  is  above  the  critical  micelle  concentration  (CMC),  as  is  the  case  in  the  combination solution. Therefore, the structure of the formed composite gels is a crosslinked  alginate  matrix  with  embedded  nano  micelles.  Scheme  3‐1  shows  the  structure  of  amphiphilic CHC and sodium alginate, as well as schematic drawing of the formed composite  gels. 

(47)

   

Scheme 3‐1  Molecular  structure  of  modified  amphiphilic  chitosan  (CHC)  and  sodium 

alginate (SAL) and the suggested crosslink network after gelation by CaCl2 rich medium. 

 

(48)

3‐1‐3 

Gelation time measurement 

The gel formation process and the gelation rate of composite hydrogels were observed  at room temperature. The gelation process would firstly occur at the junction zone between  the  gel  solution  and  gelation  medium.  The  gelation  time  could  be  adjusted  by  changing  sodium  alginate  and  calcium  chloride  concentration,  with  the  fastest  gelation  time  being  close to instantaneous and the longest being about 10 s (Table 3‐1). As an example, the gel  with  the  weight  ratios CHC/SAL/glycerol  =  1/1/5,  prepared  by  exposure  to  1  wt%  solution  formed a gel in roughly 10 s. By increasing the SAL concentration from 1 to 2 wt%, keeping  the other conditions constant, the gelation time displayed an obvious decrease from 10 to 3s.  With increasing ratios of Ca2+ in the gelation media, the gelation time was greatly decreased.  In fact, the gelation appeared to occur almost immediately for all but the samples with the  lowest SAL concentration. 

The  investigated  gels  showed  a  close  to  immediate  gelation  under  a  high  enough  calcium concentration in the gelation media. The gelation process should follow a two‐step  process:  (1)  Ca2+  transport  by  diffusion  to  the  carboxylic  sites  in  alginate  chains;  (2)  the  reaction  between  carboxylic  groups  and  Ca2+  to  form  the  egg‐boxing  structure  in  junction  zones25.  The  diffusion  of  calcium  in  the  gel  should  scale  with  viscosity  and  concentration  gradient of calcium ions, but the viscosity should not differ much between 1, 1.5, and 2 wt%  SAL. Furthermore, the increase concentration actually increases both diffusion rate and the 

(49)

amount of binding sites a Ca2+ meet. However, the most important reason is that the gelling  that using the vial tilting method may actually measure gelation at the surface. As a result,  the  measurement  of  gelation  time  may  attribute  to  the  gelation  process  on  the  solution  surface which making the gel become rigid and immovable. 

       

  1% SAL  1.5% SAL  2% SAL  1% Ca2+  10  5  3 

2% Ca2+  3  less than 1  less than 1 

3% Ca2+  1  less than 1  less than 1 

Unit: second(s) 

Table 3‐1 Gelation time of various condition hydrogels 

(50)

3‐2  Equilibrium swelling degree under various swelling medium 

The  equilibrium  swelling  degree  (ESD)  of  lyophilized  composite  hydrogels  with  the  weight ratios CHC/SAL/glycerol = 1/1.5/0, prepared using gelation media with different CaCl2 

concentrations, was determined in di‐water, cell culture medium (α‐MEM+10% FBS), and SBF  (Fig.  3‐1).  It  was  found  that  for  all  investigated  swelling  media,  the  ESD  decreased  with  increasing  concentration  of  CaCl2  in  the  gelation  medium.  In  the  case  of  di‐water,  the  ESD 

was 42.7 g/g for 1 wt% CaCl2 in the gelation media, while it was 31.2 g/g for 2 wt% CaCl2 and 

26.9 g/g for 3 wt% CaCl2. The gels exhibited lowers swelling in the cell culture medium, and a 

minimal swelling in SBF. 

For  gels  used  in  biomedical  applications,  the  swelling  is  an  important  material  parameter which greatly influences the substance exchange behavior, i.e. drug release. The  extent to which a gel swells determined by the swelling pressure (π) of the gel. The swelling  pressure can be written: 

π       (3‐1) 

where    is  osmotic  pressure  from  the  dissolution  of  polymer  chains,    is  the  osmotic  pressure  derived  from  counterions  within  the  gel  and    is  the  elastic  pressure  derived from the deformation of the polymer network during swelling49‐51. 

The  term    in  the  above  equation  is  determined  by  the  crosslinking  density  of  the  gels,  where  a  high  degree  of  crosslinking  corresponds  to  a  high  elastic  pressure  opposing 

(51)

swelling. The swelling property of a gel is thus closely related to the storage modulus of a gel.  In general, as crosslinking increase the storage modulus of the gel increases, while swelling  capacity  decrease.  This  leads  to  that  a  balance  between  the  desirable  macroscopic  mechanical  properties  and  swelling  capacity  has  to  be  found.  The  hydrogels  in  this  study  being  prepared  using  gelation  media  with  different  Ca2+  concentrations  showed  obvious  differences in their swelling capacities. Compared with gels formed using gelation media with  a CaCl2 concentration of 1 wt% the swelling decreased 27 % and 37 % for gels prepared using 

gelation  media  with  2  and  3  wt%  CaCl2,  respectively.  In  addition,  the  solvent  was  found  to 

affect the swelling, as expected. As seen in Fig. 3‐1, the ESD was two times larger for samples  swollen in di‐water than in α‐MEM, and the difference was even larger for sample swollen in  SBF.  The  observed  values  of  ESD  can  be  explained  by  the  compositions  of  the  different  swelling  media.  In  deionized  water  the  contributions  of  counterions  to  the  swelling  is  the  highest, i.e.    is large. In contrast for α‐MEM and SBF the ionic strength of the swelling  media  is  higher  and  the  difference  in  ion  concentration  within  the  gel  and  in  the  swelling  media is reduced, i.e.    decreases. However, given the compositions of α‐MEM medium  and  SBF,  their  ionic  strengths  should  be  close  to  identical,  and  a  similar  swelling  would  be  expected. One plausible explanation to the lower swelling for samples swollen in SBF is that  SBF has a higher content of divalent ions, which are known to act as crosslinkers in alginate3.  Such ions would increase the opposing elastic pressure    in the above equation, leading to 

(52)

reduced swelling. Calcium ions replacing sodium ions within the gel would also reduce the  number  of  conterions  within  the  gel  due  to  their  divalent  charge.  This  phenomenon  with  polyvalent ions greatly reducing swelling of oppositely charged polymer gels is well described  by Katchalsky52.         

Fig. 3‐1  Equilibrium  swelling  degree  of  CHC/SAL  composite  hydrogels  (weight  ratio 

CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0)  as  a  function  of  CaCl2  concentration  in  gelation  medium.  Gels 

were  submerged  in  di‐water,  medium  (α‐MEM)  or  SBF  for  2  days  to  reach  the  equilibrium  state. Values reported are an average of n = 3.        0 10 20 30 40 50 ES D  [g /g ] di‐water α‐MEM 1.5SBF

(53)

3‐3  Water retention test for swollen CHC/SAL composite hydrogels 

The  ability  to  hold  sufficient  amounts  of  water  inside  the  network  structure  is  an  important  parameter  to  characterize  hydrogels.  As  seen  in  Fig.  3‐2,  all  of  the  investigated  hydrogels  retained  more  than  80%  of  the  absorbed  water  after  1  day  at  25℃  and  54  %  relative  humidity.  The  composite  hydrogels  with  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0  prepared  using  gelation  medium  with  1  wt%  CaCl2  exhibited  the  highest  water  retention 

capability, the preparations utilizing higher concentrations of CaCl2 in the gelation medium (2  and 3 wt%) displayed very similar water retention behavior, i.e. the evaporation of water was  the same.  Water retention tests performed under constant surface area, temperature, and relative  humidity, revealed that the relative retention was also affected by the crosslinking through  Ca2+ ions. Samples prepared using gelation medium with higher calcium content, i.e. higher  crosslink density, exhibited a lower relative water retention capability. Increasing crosslinking  density  would  decrease  the  ability  to  hold  water  inside  the  gel,  as  seen  from  swelling  pressure  equation  (Eq.  3‐1).  The  swelling  pressure  of  a  gel  at  given  water  content  could  in  theory  be  converted  into  water  activity,  which  should  influence  the  evaporation  rate  directly53.  However,  the  prediction  of  how  the  relative  water  retention  should  vary  with  crosslink  density  is  not  trivial.  The  swelling  pressure  equation  (Eq.  3‐1)  is  based  on  the  simplified theories of Flory and Huggins54 and neglects many of influencing factors present in 

(54)

our systems, such as phase behavior and gel structure. Both which should have major impact  on the water activity and mass transport within the gels, and thus water evaporation from  the gels.            Fig. 3‐2  Water retention percentages over time for equilibrium swollen samples exposed to 

25℃  and  54  %  relative  humidity.  The  samples  had  the  weight  ratios  CHC/SAL/glycerol  =  1/1.5/0 and were prepared using different concentrations of CaCl2 in the gelation medium.  Values reported are an average of n = 3.      0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Wa te Re te nt io n [%] Time [day] 1% calcium chloride 2% calcium chloride 3% calcium chloride

參考文獻

相關文件

5、 逾期違約金(含逾期未改正之違約金)以契約總價金總額之 20%為上限。如逾

年青的學生如能把體育活動融入日常生活,便可提高自己的體育活動能

常識科的長遠目標是幫助學生成為終身學習者,勇於面對未來的新挑 戰。學校和教師將會繼續推展上述短期與中期發展階段的工作

[r]

地址:香港灣仔皇后大道東 213 號 胡忠大廈 13 樓 1329 室 課程發展議會秘書處 傳真:2573 5299 或 2575 4318

教育統籌委員會的教育改革建議指出

4.1.2 從一九九七年起,某些課題曾在一些學校進行試教(有關試教 課題/教學策略見附錄

For terminating simulations, the initial conditions can affect the output performance measure, so the simulations should be initialized appropriately. Example: Want to