1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 6, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 6, стр. 768-780

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

Д. А. Мичуров 1, О. Ю. Колосова 1, В. И. Лозинский 1, *

1 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
119334 Москва, ул. Вавилова, 28, стр. 1, Россия

* E-mail: loz@ineos.ac.ru

Поступила в редакцию 20.07.2023
После доработки 15.08.2023
Принята к публикации 15.08.2023

Аннотация

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.

Ключевые слова: криотропное гелеобразование, поливиниловый спирт, диметилсульфоксид, мочевина, гидратация, физико-химические свойства и микроструктура криогелей, натриевая соль ибупрофена, кинетика высвобождения

Список литературы

  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.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал