Nové hydrogely na bázi biokompatibilních polymerů pro krytí ran

MSc. Niladri ROY

Doctoral thesis

Biocompatible polymer based novel hydrogels for wound dressing

Abstract:

This doctoral thesis represents the development of novel hydrogels using biocompatible polymers and application of a simple technology, (i.e. moist heat treatment: physical stimuli) for the development of crosslinking among the polymers and simultaneously sterilizes the ingredients used for the preparation of the hydrogels. This thesis reports mainly about two different hydrogels PVP-CMC and PVP-CMC-BA, which were prepared with polyvinylpyrrolidone (PVP), carboxymethyl cellulose (CMC), agar, polyethylene glycol (PEG), glycerine and without or with boric acid (BA) which is an essential element for the development of antimicrobial property within the hydrogels. Both PVP-CMC and PVP-CMC-BA show very high degree of swelling. SEM study reveals that PVP-CMC-BA has denser crosslinking network than PVP-CMC, due to the presence of BA. FTIR study confirms the interaction of all ingredients used in PVP-CMC and PVP-CMC-BA hydrogels. Viscoelasticity property of the hydrogels show that PVP-CMC-BA is more elastic in nature than PVP-CMC, and the elastic property of PVP-CMC-BA increases with increase in the amount of BA (0-4%). The compression measurements demonstrate that PVP-CMC-BA possesses more mechanical strength than PVP-CMC due to higher crosslinking density. Water vapour transmission test illustrates that the vapour transmission rate through PVP-CMC is higher than PVP-CMC-BA. Agar diffusion and microbe penetration tests confirm the antimicrobial property of hydrogels. PVP-CMC hydrogel does not have antimicrobial effect but PVP-CMC-BA hydrogel shows strong antimicrobial effect in the presence of both bacteria and fungi. Biocompatibility (cytotoxicity, skin irritation and sensitization) assures the safe use of the hydrogel on human/animal body. The stability (environmental and biological) study of the novel hydrogels provides the information about their durability under specific storage condition, i.e. their shelf life. The hydrogel samples remain stable until 180 days and more when stored at 5+/- 2 C. The novel hydrogels were successfully covered with polymer sheets (Sontek F Breathable Film (BF) and Sontek L Breathable Laminate (BL)) after thorough testing of the covering materials by water vapour transmission rate, wettability by water contact angle measurement, microbial penetrability and antimicrobial assay. The polymer sheet covers effectively protect the above mentioned hydrogels. Finally, it gives the impression that both PVP-CMC and PVP-CMC-BA hydrogels are outstanding in nature and fulfilling most of the essential requirements (liquid absorption, transparency, barrier to microbial infection, rubbery consistency, provide cool feeling, etc.) could be recommended for their use in wound dressing purposes, a transdermal biomedical application.

Abstract:

Tato disertační práce představuje vývoj nových hydrogelů z biokompatibilních polymerů připravovaných novou jednoduchou technologií (tj. zpracování teplem a vlhkostí: fyzikálními podněty) pro vývoj zesíťování mezi polymery a současnou sterilizaci všech složek. V této práci jsou představeny dva typy hydrogelů: PVP-CMC a PVP-CMC-BA, které byly připraveny z polyvinylpyrrolidonu (PVP), karboxymethyl celulózy (CMC), agaru, polyethylen glykolu (PEG), glycerinu a bez nebo s kyselinou boritou (BA), která je základní složkou pro vývoj antimikrobiální vlastnosti v hydrogelech. Oba PVP-CMC a PVP-CMC-BA vykazují velmi vysokou absorpční kapacitu. Ve srovnání se samotným PVP-CMC hydrogelem SEM studie odhaluje, že přítomnost BA způsobuje hustší zesíťování PVP-CMC-BA hydrogelu. Výsledky FTIR analýzy potvrzují interakci všech složek použitých v PVP-CMC a PVP-CMC-BA hydrogelech. Z viskoelastických měření hydrogelů plyne, že PVP-CMC-BA je více elastický než PVP-CMC a elastické vlastnosti PVP-CMC-BA se zvyšují se zvyšujícím se podílem BA (0-4%). Kompresní měření projevují, že PVP-CMC-BA má v důsledku vyšší hustoty zesíťování větší mechanickou pevnost než PVP-CMC. Test prostupu vodních par ukazuje, že rychlost propustnosti par přes PVP-CMC je vyšší než přes PVP-CMC-BA. Testy difúze a pronikání mikrobů v agaru potvrzují antimikrobiální vlastnosti hydrogelů. PVP-CMC hydrogel nevykazuje antimikrobiální účinek, ale PVP-CMC-BA hydrogel má silný antimikrobiální účinek jak v přítomnosti bakterií tak i hub. Biokompatibilita (cytotoxicita, podráždění kůže a senzibilizace) zajišťuje bezpečné použití hydrogelu na lidském/zvířecím těle. Studie stability (okolního prostředí a biologická) nových hydrogelů poskytuje informaci o jejich trvanlivosti za specifických podmínek skladování. Hydrogelové vzorky zůstávají stabilní až 180 dní a ještě déle při skladování při 5 +/- 2 C. Nové hydrogely byly úspěšně pokryty polymerními fóliemi (Sontek F prodyšná blána (BF) a Sontek L prodyšný laminát (BL)) po jejich důkladném testování rychlostí propustnosti vodních par, smáčivostí - měřením kontaktního úhlu vody, mikrobiální proniknutelností a antimikrobiální zkouškou. Krycí polymerní fólie účinně chrání výše zmíněné hydrogely. Závěrem, oba PVP-CMC a PVP-CMC-BA hydrogely mají vynikající vlastnosti a splňují většinu základních požadavků (absorpce kapalin, transparentnost, bariéra proti mikrobiální infekci, pružná konzistence, poskytují chladící pocit, atd.) pro jejich využitelnost k ošetření ran, transdermální biomedicínské aplikaci.

Keywords

Antimikrobiální vlastnosti, difúze agarem, biokompatibilita, biostabilita, síťování, hydrogel, bobtnání, krytí ran, propustnost vodní páry, viskoelasticita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 12. 2011

Identifier: 20074

Thesis defence

• Date of defence: 22. 2. 2011

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds