Studium tepelné stabilizace nanovlákenných materiálů z polyvinylalkoholu s inkorporovaným lipofosfonoxinem

Roman Janků

Bachelor's thesis

Study of thermal stabilization of polyvinyl alcohol nanofibrous materials with incorporated lipophosphonoxine

Abstract:

V posledních desetiletích se výzkum a vývoj zaměřují na inovativní řešení v oblasti léčby kožních ran, přičemž značná pozornost je věnována polymerním nanovlákenným materiá-lům díky jejich jedinečným vlastnostem, jako je schopnost napodobovat extracelulární matrix. Tyto materiály nabízejí značný potenciál pro začlenění různých bioaktivních látek, včetně nových typů antibiotik, což z nich činí ideální kandidáty pro vytváření funkčních krytů kožních ran. Jednou z hlavních výzev je však kontrolované uvolňování těchto aktivních látek, aby se zabránilo jejich rychlému ztrácení a zároveň se udržela efektivní koncentrace na místě aplikace. Tato bakalářská práce se zaměřuje na vývoj a charakterizaci nanovlákenných materiálů na bázi polyvinylalkoholu (PVA) funkcionalizovaných lipofosfonoxinem s cílem zlepšit jejich tepelnou stabilizaci a prodloužit uvolňování aktivních látek. Vzhledem k rostoucímu zájmu o použití polymerních nanovlákenných materiálů pro pokročilé ošetřování kožních ran, které nabízí výhody díky své schopnosti postupně uvolňovat terapeutické látky, se tato práce soustředí na překonání hlavních výzev spojených s rychlým uvolňováním inkorporovaných látek. Tepelná stabilizace byla prozkoumána jako klíčová metoda pro zlepšení fyzikálně-chemických vlastností materiálu, což umožňuje kontrolované uvolňování lipofosfonoxinu. Pro funkční modifikaci nanovláken byl využit experimentální typ antibiotika lipofosfonoxin DR6180 (LPPO). V procesu vytváření nanovlákenných materiálů metodou elektrostatického zvlákňování byl upřednostněn polyvinylalkohol (PVA) s výrazně vysokým stupněm hydrolýzy (98-98,8 %) a molekulovou hmotností 125 000 g/mol. Byly vytvořeny dvě varianty nanovlákenných materiálů - jedna bez přídavku LPPO a druhá s inkorporací LPPO. Tyto materiály byly následně vystaveny procesu tepelné stabilizace (heat treatment, HT) při specifických teplotách v rozmezí 120-150 °C po dobu jedné hodiny. Z analýzy uvolňování LPPO vyplývá, že HT neměla vliv na zpomalení uvolňování LPPO z materiálů. Veškeré LPPO se uvolnilo téměř okamžitě po kon-taktu materiálu s vodným prostředím. Teplota stabilizace neměla významný vliv na množství uvolněného LPPO, jelikož se procentuální množství uvolněného LPPO pohybovalo v rozmezí ? 4 až 7 % v porovnání s nestabilizovaným materiálem. Tyto výsledky naznačují, že snížení celkového množství uvolněného LPPO může být také důsledkem jeho degradace ve vodném prostředí. Závěry této práce potvrzují, že HT vede ke stabilizaci nanovlákenných materiálů z PVA ve vodném prostředí, což se projevuje snížením jejich rozpustnosti. Přítomnost LPPO zvyšuje rozpustnost PVA po HT oproti čistému tepelně stabilizovanému PVA.

Abstract:

In recent decades, research and development have focused on innovative solutions in the field of skin wound treatment, with considerable attention being paid to polymeric nanofibrous materials due to their unique properties, such as the ability to mimic the extracellu-lar matrix. These materials offer significant potential for incorporating various bioactive substances, including new types of antibiotics, making them ideal candidates for creating functional skin wound dressings. One of the main challenges, however, is the controlled release of these active substances to prevent their rapid loss while maintaining an effective concentration at the application site. This bachelor's thesis focuses on the development and characterization of polyvinyl alcohol (PVA) nanofibrous materials functionalized with lipophosphonoxime to improve their thermal stabilization and prolong the release of active substances. Given the growing interest in the use of polymeric nanofibrous materials for advanced skin wound care, which offers benefits due to their ability to gradually release thera-peutic substances, this work focuses on overcoming the main challenges associated with the rapid release of incorporated substances. Thermal stabilization was explored as a key meth-od for improving the physicochemical properties of the material, enabling controlled release of lipophosphonoxime. For the functional modification of the nanofibers, an experimental type of antibiotic, lipophosphonoxime DR6180 (LPPO), was used. In the process of creating nanofibrous materials by electrostatic spinning, polyvinyl alcohol (PVA) with a markedly high degree of hydrolysis (98-98.8%) and a molecular weight of 125,000 g/mol was preferred. Two variants of nanofibrous materials were produced - one without the addition of LPPO and another with the incorporation of LPPO. These materials were subsequently subjected to a thermal stabilization (HT) process at specific temperatures ranging from 120-150 °C for a duration of one hour. The analysis of LPPO release indicates that HT did not affect the slowing down of LPPO release from the materials. All LPPO was released almost immediately upon contact of the material with an aqueous environment. The stabilization temperature did not have a significant impact on the amount of LPPO released, as the percentage of released LPPO varied within a range of ? 4 to 7% compared to the unstabilized material. These results suggest that the reduction in the total amount of released LPPO may also be a result of its degradation in an aqueous environment. The conclusions of this thesis confirm that HT leads to the stabilization of PVA nanofibrous materials in an aqueous environment, which is reflected in reducing their solubility. The presence of LPPO increases the solubility of PVA after HT compared to pure thermally stabilized PVA.

Keywords

polyvinylalkohol, lipofosfonoxiny, nanovlákenné materiály, tkáňové inženýrství, tepelná stabilizace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Věra Jenčová, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Bachelor programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnologie