Przemiana fazowa roztworów chlorku chitozanu jako potencjalnego materiału do zastosowań w inżynierii biomedycznej

• Autorzy: Owczarz P. , Ziółkowski P. , Modrzejewska Z. , Dziubiński M.

Warianty tytułu

EN

Phase transition of chitosan chloride solutions as potential material for application in biomedical engineering

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań reologicznych roztworów chlorku chitozanu formujących żele pod wpływem wzrostu temperatury. Miały one na celu wyznaczenie podstawowych parametrów określających przemianę fazową: temperaturę żelowania oraz energię potrzebną do przeprowadzenia tej przemiany. Prace te są istotne z uwagi na możliwość zastosowania takich układów jako skafoldów do hodowli komórkowej bądź nośników leków umożliwiających ich wprowadzanie do tkanki zmienionej chorobowo drogą iniekcji. Badania wykonano dla chitozanów o różnym pochodzeniu: crab, shrimp i różnej masie cząsteczkowej. Dla każdego z chitozanów przeprowadzono badania roztworów chlorku chitozanu bez oraz z dodatkiem disodowej soli β-glicerofosforanu (β-NaGP). Punkt przemiany fazowej wyznaczano za pomocą pomiarów zmian właściwości reologicznych prowadzonych w układzie stożek-płytka reometru rotacyjnego. Ponadto wyznaczono zmiany wartości pH roztworów oraz zmianę modułów: zachowawczego G’ i stratności G’’ w funkcji przyrostu temperatury. Na podstawie wyników pomiarów stwierdzono istotny wpływ pH na temperaturę punktu żelowania. Przeprowadzone pomiary reologiczne pozwoliły wyznaczyć trzy charakterystyczne obszary procesu żelowania: (1) obszar cieczy lepkosprężystej, (2) obszar szybkiego żelowania, (3) obszar wolnego procesu żelowania oraz określić, w oparciu o model kinetyki krystalizacji polimeru, energię aktywacji dla obszarów 2 i 3.

EN

The paper presents the results of rheological study on chitosan chloride solutions, forming gels under the influence of increased temperature. Its aim was to establish the basic parameters specifying phase transition: gelation temperature and the energy needed for conducting this transition. This study is significant due to the possibility of applying such systems as scaffolds for tissue engineering or drug delivery systems. The research was conducted for chitosans of various origin: crab, shrimp and of various molecular weights. For each chitosan, research was conducted in two variations of the solutions of chitosan chloride, with or without the addition of β-Glycerophosphate disodium salt (β-NaGP). The phase transition point was estimated by measurements of rheological properties, conducted in a cone-plate system of a rotational rheometer. Moreover, the pH value of the solutions and the evolution of storage modulus G’ and loss modulus G’’ in the function of temperature increase were determined. Based on the measurements results a significant impact of pH on the gelation point temperature was observed. The conducted rheological measurements allowed to estimate three characteristic regions of the gelation process: (1) area of viscoelastic liquid, (2) area of fast gelation, (3) area of a slow gelation process. Based on the kinetics model of polymer crystallization, the activation energy for regions 2 and 3 was determined.

Słowa kluczowe

PL

chitozan; hydrożel; punkt żelowania; przemiana fazowa zol-żel; energia aktywacji

EN

chitosan; hydrogel; gelation point; sol-gel phase transition; activation energy

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 20, no. 139
• Strony: 18--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Owczarz P.

• Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź

autor

Ziółkowski P.

• Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź

autor

Modrzejewska Z.

• Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź

autor

Dziubiński M.

• Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź

Bibliografia

• [1] Mochalova A. E., Budruev A. V., Oleinik A. V., Smirnova L. A.: Thermo and pH-sensitive hydrogels on chitozan base, obtained with use of diazide of terephthalic acid. Perspektivnye Materialy 5 (2009) 61-65. Мочалова А.Е., Будруев А.В., Олейник А.В., Смирнова Л.А.: Термо- и pH- чувствительные гидрогели на основе хитозана полученые с использованием диазида терефталевой кислоты. Перспективные материалы 5 (2009) 61-65.
• [2] Ravichandran R., Sundarrajan S., Venugopal J.R., Mukherjee S., Ramakrishna S.: Advances in Polymeric Systems for Tissue Engineering and Biomedical Applications. Macromolecular Bioscience 12 (2012) 286-311.
• [3] Lavertu M., Filion D., Buschmann M.D.: Ionization and Solubility of Chitosan Solutions Related to Thermosensitive Chitosan/Glycerol- Phosphate Systems. Biomacromolecules 8 (2007) 3224-3234.
• [4] Skwarczyńska A.: Kompozytowe termowrażliwe żele chitozanowe do zastosowań biomedycznych, (rozprawa doktorska) Politechnika Łódzka, Łódź 2014.
• [5] Park J. W., Choi K.-H., Park K. K.: Acid-Base Equilibria and Related Properties of Chitosan. Bulletin of the Korean Chemical Society 4 (1983) 68-71.
• [6] Vachoud L., Zydowicz N., Domard A.: Formation and characterisation of a physical chitin gel. Carbohydrate Research 302 (1997) 169-177.
• [7] Hamdine M., Heuzey M.-C., Begin A.: Viscoelastic properties of phosphoric and oxalic acid-based chitosan hydrogels. Rheologica Acta 37 (2005) 1-17.
• [8] Iversen C., Kjoniksen A. L., Nystrom B., Nakken T., Palmgren O., Tande T.: Viscosity of Dilute Aqueous Solutions of Hydrophobically Modified Chitosan and Its Unmodified Analogue at Different Conditions of Salt and Surfactant Concentrations. Langmuir 13 (1997) 4948-4952.
• [9] Chenite A., Gori S., Shive M., Desrosiers E., Buschmann M.D.: Monolithic gelation of chitosan solutions via enzymatic hydrolysis of urea. Carbohyd Polym 64 (2006) 419-424.
• [10] Xueying Q., Yuhong Y., Liping W., Shanling L., Zhengzhong Sh., Xin Ch., 2011. Synergistic interactions during thermosensitive chitosan-β-glycerophosphate hydrogel formation. RSC Advances 1 (2011) 282-289.
• [11] Lavertu M., Filion D., Buschmann M.D., 2008. Heat-Induced Transfer of Protons from Chitosan to Glycerol Phosphate Produces Chitosan Precipitation and Gelation. Biomacromolecules 9 (2008) 640-650.
• [12] Cho J., Heuzey M.-C., Begin A., Carreau P. J.: Viscoelastic properties of chitosan solutions: Effect of concentration and ionic strength. Journal of Food Engineering 74 (2006) 500–515.
• [13] Li L., Thangamathesvaran P. M., Yue C. Y., Tam K. C., Hu X., Lam Y. C.: Gel Network Structure of Methylcellulose in Water. Langmuir 17 (2001) 8062-8068.
• [14] Lopes da Silva J.A., Goncalves M.P., Rao M. A.: Kinetics and thermal behaviour of the structure formation process in HMP/sucrose gelation. International Journal of Biological Macromolecules 17 (1995) 25-32.
• [15] Fu J.-T., Rao M. A.: Rheology and structure development during gelation of low-methoxyl pectin gels: The effect of sucrose. Food Hydrocolloids, 15 (2001) 93-100.
• [16] Ross-Murphy S. B.: The estimation of junction zone size from gel time measurements. Carbohydrate Polymers 14 (1991) 281-294.
• [17] McIver R. G., Axford D. W. E., Colwell K. H., Elton G. A. H.: Kinetic study of the retrogradation of gelatinized starch. Journal of the Science of Food and Agriculture 19 (1968) 560-563.
• [18] Cho J., Heuzey M.-C., Begin A., Carreau P. J.: Chitosan and glycerophosphate concentration dependence of solution behaviour and gel point using small amplitude oscillatory rheometry. Food Hydrocolloids 20 (2006) 936-945.
• [19] Cho J., Heuzey M.-C., Begin A., Carreau P. J.: Physical Gelation of Chitosan in the Presence of β-Glycerophosphate - The Effect of Temperature. Biomacromolecules 6 (2005) 3267-3275.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).