Изучение криоструктурирования полимерных систем. 66. Свойства и микроструктура криогелей поливинилового спирта, сформированных в замороженном диметилсульфоксиде с добавками мочевины и далее гидратированных замещением органической среды на воду

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Криогенной обработкой (замораживание при –21.6°C в течение 12 ч, а затем оттаивание нагреванием до 20°C со скоростью 0.03°C/мин) раствора поливинилового спирта (ПВС; 100 г/л) в диметилсульфоксиде (ДМСО) без и с добавками проявляющей в такой среде космотропные свойства мочевины в концентрации 2 или 4 моль/л, получены “первичные” криогели ПВС. Их последующая гидратация замещением ДМСО на воду вызывала уменьшение объема и массы образцов, а также приводила к существенному росту модуля упругости получаемых “вторичных” криогелей. Абсолютная величина таких эффектов зависела как от концентрации мочевины в исходном растворе ПВС, так и от соотношения объемов гелевых образцов и водного экстрагента при их гидратации. С помощью оптической микроскопии установлено, что присутствие мочевины в исходном ДМСО-растворе полимера в концентрации, близкой к пределу ее растворимости в такой среде, индуцирует формирование крупнопористой морфологии образующейся гелевой матрицы. Поскольку высокомодульные “вторичные” криогели ПВС представляют большой интерес в качестве материалов биомедицинского назначения, в работе была оценена возможность их функционирования в качестве носителей систем доставки лекарственных веществ. Как модельное лекарственное соединение использовалась натриевая соль ибупрофена. С помощью анализа в рамках функции Вейбулла кинетики высвобождения этого вещества показано, что динамическое водородное связывание его карбоксилатных групп с гидроксильными группами ПВС приводит к замедлению высвобождения лекарства из полимерного носителя, т.е. способствует пролонгированию процесса высвобождения. При этом скорость процесса зависит от содержания мочевины в исходном растворе полимера, что, скорее всего, связано с неодинаковой микроструктурой полимерной фазы стенок макропор криогелевой матрицы.

About the authors

Д. Мичуров

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Вавилова, 28, стр. 1

О. Колосова

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Вавилова, 28, стр. 1

В. Лозинский

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Author for correspondence.
Email: loz@ineos.ac.ru
Россия, 119334, Москва, ул. Вавилова, 28, стр. 1

References

  1. Nambu M. Rubber-like poly(vinyl alcohol) gel // Kobunshi Ronbunshu. 1990. V. 47. P. 695–703 (In Japanese). https://doi.org/10.1295/koron.47.695
  2. Peppas N.A., Stauffer S.R. Reinforced uncrosslinked poly(vinyl alcohol) gels produced by cyclic freezing-thawing processes: A short review // J. Control. Release. 1991. V. 16. № 3. P. 305–310. https://doi.org/10.1016/0168-3659(91)90007-Z
  3. Лозинский В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. 1998. Т. 67. № 7. С. 641–655.
  4. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and applications of poly(vinyl alcohol) hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods // Adv. Polym. Sci. 2000. V. 153. P. 37–65. https://doi.org/10.1007/3-540-46414-X_2
  5. Gutiérrez M.C., Aranaz I., Ferrer M.L., del Monto F. Production and properties of poly(vinyl alcohol) cryogels: Recent developments // In: Macroporous Polymers: Production, Properties and Biological/Biomedical Applications. Mattiasson B., Kumar A., Galaev I. Eds. CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2010. P. 83–115. https://doi.org/10.1201/9781420084627
  6. Gun’ko V.M., Savina I.N., Mikhalovsky S.V. Cryogels: Morphological, structural and adsorption characterization // Adv. Coll. Interface Sci. 2013. V. 187–188. P. 1–46. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.11.001
  7. Adelnia H., Ensandoost R., Moonshi S.S., Gavgani J.N., Vasafi E.I., Ta H.T. Freeze/thawed polyvinyl alcohol hydrogels: Present, past and future // Eur. Polym. J. 2022. V. 164. P. 110974. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110974
  8. Рогожин С.В., Лозинский В.И., Вайнерман Е.С., Домотенко Л.В., Мамцис А.М., Иванова С.А., Штильман М.И., Коршак В.В. Нековалентное криоструктурирование в полимерных системах // Докл. АН СССР. 1984. Т. 278. № 1. С. 129–133.
  9. Lozinsky V.I., Vainerman E.S., Domotenko L.V., Mamtsis A.M., Titova E.F., Belavtseva E.M., Rogozhin S.V. Study of cryostructurization of polymer systems. VII. Structure formation under freezing of poly(vinyl alcohol) aqueous solutions // Coll. Polym. Sci. 1986. V. 264. P. 19–24. https://doi.org/10.1007/BF01410304
  10. Mori Y., Tokura H., Yoshikawa M. Properties of hydrogels synthesized by freezing and thawing aqueous po-ly(vinyl alcohol) solutions and their applications // J. Mater. Sci. 1997. V. 32. P. 491–496. https://doi.org/10.1023/A:1018586307534
  11. Лозинский В.И., Дамшкалн Л.Г., Шаскольский Б.Л., Бабушкина Т.А., Курочкин И.Н., Курочкин И.И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 27. Физико-химические свойства криогелей поливинилового спирта и особенности их макропористой морфологии // Колоидн. журн. 2007. Т. 69. № 6. С. 798–816.
  12. Лозинский В.И., Дамшкалн Л.Г., Курочкин И.Н., Курочкин И.И. Изучение крио-структурирования полимерных систем. 28. Физико-химические свойства и морфология криогелей поливинилового спирта, сформированных многократным замораживанием-оттаиванием // Коллоидн. журн. 2008. Т. 70. № 2. С. 212–222.
  13. Zhang H., Zhang F., Wu J. Physically crosslinked hydrogels from polysaccharides prepared by freeze–thaw technique // React. Func. Polym. 2013. V. 73. № 7. P. 923–928. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2012.12.014
  14. Lozinsky V.I., Okay O. Basic principles of cryotropic gelation // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 49–101. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_2
  15. Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 55. Retrospective view on the more than 40-years studies performed in the A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds with respect of the cryostructuring processes in polymeric systems // Gels. 2020. V. 6. № 3. P. 29. https://doi.org/10.3390/gels6030029
  16. Лозинский В.И., Вакула А.С., Зубов А.Л. Применение криогелей поливинилового спирта в биотехнологии. IV. Обзор литературных данных // Биотехнология. 1992. № 4. С. 5–14.
  17. Varfolomeev S.D., Rainina E.I., Lozinsky V.I. Cryoimmobilized enzymes and cells in organic synthesis // Pure Appl. Chem. 1992. V. 64. № 8. P. 1193–1196. https://doi.org/10.1351/pac199264081193
  18. Lozinsky V.I., Plieva F.M. Poly(vinyl alcohol) cryogels employed as matrices for cell immobilization. 3. Overview of recent research and developments // Enzyme Microb. Technol. 1998. V. 23. № 3–4. P. 227–242. https://doi.org/10.1016/S0141-0229(98)00036-2
  19. Lozinsky V.I., Plieva F.M., Galaev I.Y., Mattiasson B. The potential of polymeric cryogels in bioseparation // Bioseparation. 2001. V. 10. P. 163–188. https://doi.org/10.1023/A:1016386902611
  20. Lozinsky V.I., Galaev I.Y., Plieva F.M., Savina I.N., Jungvid H., Mattiasson B. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological interest // Trends Biotechnol. 2003. V. 21. № 10. P. 445–451. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2003.08.002
  21. Lozinsky V.I. What new opportunities the use of diverse polymeric cryogels opens for the immobilization of molecules and cells // Hemijska Industrija. 2004. V. 58. P. 111–115.
  22. Mattiasson B. Cryogels for biotechnological applications // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 245–282. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_7
  23. Berillo D., Al-Jwaid A., Caplin J. Polymeric materials used for immobilisation of bacteria for the bioremediation of contaminants in water // Polymers. 2021. V. 13. № 7. P. 1073. https://doi.org/10.3390/polym13071073
  24. Lazzeri L. Progress in bioartificial polymeric materials // Trends Polym. Sci. 1996. V. 4. № 8. P. 249–252.
  25. Chu K.C., Rutt B.K. Poly(vinyl alcohol) cryogel: An ideal phantom material for MR studies of arterial flow and elasticity // Magn. Reson. Med. 1997. V. 37. № 2. P. 314–319. https://doi.org/10.1002/mrm.1910370230
  26. Hoskins P.R. Simulation and validation of arterial ultrasound imagining and blood flow // Ultrasound Med. Biol. 2008. V. 34. № 5. P. 693–517. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2007.10.017
  27. Ghanbari H., Viatage H., Kidane A.G., Burriesci G., Tavakoli M., Seifalian A.M. Polymeric heart valves: New materials, emerging hopes // Trends Biotechnol. 2009. V. 27. № 6. P. 359–367. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2009.03.002
  28. Alves M.H., Jensen B.E.B., Smith A.A.A., Zelikin A.N. Poly(vinyl alcohol) physical hydrogels: New vista on a long serving biomaterial // Macromol. Biosci. 2011. V. 11. № 10. P. 1293–1313. https://doi.org/10.1002/mabi.201100145
  29. Baker M.I., Walsh S.P., Schwatz Z., Boyan B.D. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications // J. Biomed. Mater. Res. B. 2012. V. 100. № 5. P. 1451–1457. https://doi.org/10.1002/jmb.b32694
  30. Gajra B., Pandya S.S., Vidyasagar G., Rabari H., Dedania R.R., Rao S. Poly(vinyl alcohol) hydrogel and its pharmaceutical and biomedical applications: A review // Int. J. Pharm. Res. 2012. V. 4. № 2. P. 20–26.
  31. Maiolo A.S., Amado M.N., Gonzalez J.S., Alvarez V.A. Development and characterization of poly (vinyl alcohol) based hydrogels for potential use as an articular cartilage replacement // Mater. Sci. Eng. C. 2012. V. 32. № 6. P. 1490–1495. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.04.030
  32. Iatridis J.C., Nicoll S.B., Michalek A.J., Walter B.A., Gupta M.S. Role of biomechanics in intervertebral disc degeneration and regenerative therapies: What needs repairing in the disc and what are promising biomaterials for its repair? // Spine J. 2013. V. 13. № 3. P. 243–262. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2012.12.002
  33. Wan W., Bannerman A.D., Yang L., Mak H. Poly(vinyl alcohol) cryogels for biomedical applications // Adv. Polym. Sci. 2014. V. 263. P. 283–321. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05846-7_8
  34. Teixeira L.S.M., Patterson J., Luyten F.P. Skeletal tissue regeneration: Where can hydrogels play a role? // Int. Orthopaedics. 2014. V. 38. P. 1861–1876. https://doi.org/10.1007/s00264-014-2402-2
  35. Beddoes C.M., Whitehouse M.R., Briscoe W.H., Su B. Hydrogels as a replacement materials for damaged articular hyaline cartilage // Materials. 2016. V. 9. № 6. P. 443. https://doi.org/10.3390/ma9060443
  36. Kumar A., Han S.S. PVA-based hydrogels for tissue engineering: A review // Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2017. V. 66. № 4. P. 159–182. https://doi.org/10.1080/00914037.2016.1190930
  37. Timofejeva A., D’Este M., Loca D. Calcium phosphate/polyvinyl alcohol composite hydrogels: A review on the freeze-thaw synthesis approach and applications in regenerative medicine // Eur. Polym. J. 2017. V. 95. P. 547–565. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.08.048
  38. Teodorescu M., Bercea M., Morariu S. Biomaterials of poly(vinyl alcohol) and natural polymers // Polym. Revs. 2018. V. 58. № 2. P. 247–287. https://doi.org/10.1080/15583724.2017.1403928
  39. Memic A., Colombani T., Eggermont L.J., Rezaeeyazdi M., Steingold J., Rogers Z.J., Navare K.J., Mohammed H.S., Bencherif S.A. Latest advances in cryogel technology for biomedical applications // Adv. Therapeutics. 2019. V. 2. № 4. P. 1800114. https://doi.org/10.1002/adtp.201800114
  40. Xiang J., Shen L., Hong Y. Status and future scope of hydrogels in wound healing: Synthesis, materials and evaluation // Eur. Polym. J. 2020. V. 130. P. 109609. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109609
  41. Rivera-Hernández G., Antunes-Ricardo M., Martínez-Morales P., Sánchez L. Polyvinyl alcohol based-drug delivery systems for cancer treatment // Internat. J. Pharmaceutics. 2021. V. 600. P. 120478. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.120478
  42. Aderibigbe B.A. Hybrid-based wound dressings: Combination of synthetic and biopolymers // Polymers. 2022. V. 14. № 18. P. 3806. https://doi.org/10.3390/polym14183806
  43. Kolosova O.Yu., Shaikhaliev A.I., Krasnov M.S., Bondar I.M., Sidorskii E.V., Sorokina E.V., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 64. Preparation and properties of poly(vinyl alcohol)-based cryogels loaded with antimicrobial drugs and assessment of the potential of such gel materials to perform as the gel implants for treatment of infected wounds // Gels. 2023. V. 9. № 2. P. 113. https://doi.org/10.3390/gels9020113
  44. Omidian H., Chowdhury S.D., Babanejad N. Cryogels: Advancing biomaterials for transformative biomedical applications // Pharmaceutics. 2023. V. 15. № 7. P. 1836. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15071836
  45. Hyon S.H., Cha W.I., Ikada Y. Preparation of transparent poly(vinyl alcohol) hydrogel // Polym. Bull. 1989. V. 22. P. 119–122. https://doi.org/10.1007/BF00255200
  46. Trieu H.H., Qutubuddin S. Polyvinyl alcohol hydrogels I. Microscopic structure by freeze-etching and critical point drying techniques // Colloid Polym. Sci. 1994. V. 272. P. 301–309. https://doi.org/10.1007/BF00655501
  47. Trieu H.H., Qutubuddin S. Poly(vinyl alcohol) hydrogels. 2. Effects of processing parameters on structure and properties // Polymer. 1995. V. 36. № 13. P. 2531–2539. https://doi.org/10.1016/0032-3861(95)91198-G
  48. Masri C., Chagnon G., Favier D. Influence of processing parameters on the macroscopic mechanical behavior of PVA hydrogels // Mater. Sci. Eng. Part C. 2017 V. 75. P. 769–776. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.02.045
  49. Lozinsky V.I., Kolosova O.Y., Michurov D.A., Dubo-vik A.S., Vasil’ev V.G., Grinberg V.Y. Cryostructuring of polymeric systems. 49. Unexpected “kosmotropic-like” impact of organic chaotropes on freeze–thaw-induced gelation of PVA in DMSO // Gels. 2018. V. 4. № 4. P. 81. https://doi.org/10.3390/gels4040081
  50. Бакеева И.В., Орлова М.А., Лозинский В.И. Криогели поливинилового спирта, сформированные из растворов полимера в диметилсульфоксиде с добавками тетраметоксисилана // Тонкие химические технологии. 2019. Т. 14. № 2. С. 41–50.
  51. Pritchard J.G. Poly(vinyl alcohol): Basic Properties and Uses // Gordon & Breach Science Publish: London, UK, 1970. P. 139.
  52. Masuda K., Horii F. CP/MAS 13C NMR analyses of the chain conformation and hydrogen bonding for frozen poly(vinyl alcohol) solutions // Macromolecules. 1998. V. 31. № 17. P. 5810–5817. https://doi.org/10.1021/ma9801265
  53. Ricciardi R., Auriemma F., Rosa C.D., Laupretre F. X-ray diffraction analysis of poly(vinyl alcohol) hydrogels obtained by freezing and thawing techniques // Macromolecules. 2004. V. 37. № 5. P. 1921–1927. https://doi.org/10.1021/ma035663q
  54. Ricciardi R., Auriemma F., Gaillet C., Rosa C.D., Laupretre F. Investigation of the crystallinity of freeze/thaw poly(vinyl alcohol) hydrogels by different techniques // Macromolecules. 2004. V. 37. № 25. P. 9510–9516. https://doi.org/10.1021/ma048418v
  55. Kolosova O.Yu., Kurochkin I.N., Kurochkin I.I., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 48. Influence of organic non-ionic and ionic chaotropes or kosmotropes on the cryotropic gel-formation of aqueous poly(vinyl alcohol) solutions, as well as on the properties and microstructure of the resultant cryogels // Eur. Polym. J. 2018. V. 102. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.03.010
  56. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. Пер. с англ. М.: Мир, 1976. С. 14.
  57. Лозинский В.И., Леонова И.М., Иванов Р.В., Бакеева И.В. Изучение криоструктурирования полимерных систем. 46. Физико-химические свойства и микроструктура криогелей поливинилового спирта, сформированных из растворов полимера в смесях диметилсульфоксида с низкомолекулярными спиртами // Коллоидн. журн. 2017. Т. 79. № 6. С. 756–765. https://doi.org/10.7868/S0023291217060088
  58. Dimethyl Sulfoxide Solubility Data. Gaylord Chemical Company, LLC, Slidell, LA, USA. 2014, Bulletin 102.
  59. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Ibuprofen-sodium.
  60. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability // J. Appl. Mechanics. 1951. V. 18. P. 293–297.
  61. Papadopoulou V., Kosmidis K., Vlachou M., Macheras P. On the use of the Weibull function for the discernment of drug release mechanisms // Int. J. Pharm. 2006. V. 309. № 1–2. P. 44–50. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2005.10.044
  62. Kolosova O.Yu., Karelina P.A., Vasil’ev V.G., Grinberg V.Ya., Kurochkin I.I., Kurochkin I.N., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 58. Influence of the H2N–(CH2)n–COOH-type amino acid additives on formation, properties, microstructure and drug release behaviour of poly(vinyl alcohol) cryogels // React. Funct. Polym. 2021. V. 167. P. 105010. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2021. 105010
  63. Пиментел Дж., Мак-Клеллан О. Водородная связь. Пер. с англ. М.: Мир, 1964. 464 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (26KB)
Indexing metadata
3.

Download (87KB)
Indexing metadata
4.

Download (85KB)
Indexing metadata
5.

Download (82KB)
Indexing metadata
6.

Download (2MB)
Indexing metadata
7.

Download (11KB)
Indexing metadata
8.

Download (78KB)
Indexing metadata
9.

Download (74KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Д.А. Мичуров, О.Ю. Колосова, В.И. Лозинский