Desenvolvimento de biomateriais à base de quitosana: matriz de fibras eletrofiadas para regeneração tecidual e de hidrogel coacervado para entrega controlada de fármaco / Development of chitosan-based biomaterials: electrospun fiber matrix for tissue regeneration and coacervate hydrogel for controlled drug delivery

Os atuais avanços no desenvolvimento de biomateriais caminham para 2 áreas promissoras: a de regeneração tecidual e a de entrega controlada de fármacos. Assim, o presente estudo objetivou a síntese e caracterização de diferentes matrizes (fibras e hidrogel) à base de quitosana, a fim de se obter materiais biomiméticos para atuação em ambas áreas. Para regeneração, delineou-se a síntese de um arcabouço de fibras de quitosana com e sem cristais de nanohidroxiapatita onde, para isso, foram eletrofiadas soluções de quitosana (Ch) e de quitosana com nanohidroxiapatita (ChHa). Os espécimes de Ch apresentaram maior homogeneidade e maior diâmetro médio de fibras (690 ± 102 nm) que ChHa (358 ± 49 nm). No teste de viabilidade celular e na atividade da fosfatase alcalina não houve diferença estatística entre os grupos experimentais (Ch e ChHa), porém ambos diferiram do grupo controle (p < 0,001). Para o âmbito de liberação de fármacos, sintetizou-se, pela técnica de emulsão, dois tipos de hidrogéis: o primeiro, uma mistura da fase aquosa da solução de Ch (1 mL) e da solução de DNA (1 mL) (1:1) e o segundo, mistura da fase aquosa da solução de Ch (1 mL) e solução de Pectina (1 mL) (1:1). Ambas misturas foram realizadas em álcool benzílico (5 mL) com instrumento de dispersão de alto desempenho (31-34000 rpm min-1 por 5 min). Após a obtenção dos géis, 20mg de cada grupo foram imersos em uma solução aquosa de Própolis Verde (PV), na concentração de 70 µg/mL por 2 h e a cinética de liberação do PV foi analisada a 25 e 37oC em água e saliva artificial. Os espécimes obtidos foram liofilizados e depois caracterizados físicoquimicamente. A presença de pectina e de DNA foi comprovada por FTIR. A sorção de PV induziu uma modificação significativa da superfície do gel. Constatou-se uma separação de fases entre a quitosana e o DNA. A eficiência do encapsulamento não mudou significativamente entre 25 e 37oC. A cinética de liberação na água ou na saliva apresentou um mecanismo de duas etapas. E os resultados biológicos exibiram que esses materiais são aceitáveis no ambiente biológico. Assim, conclui-se que a matriz de fibras de quitosana com nHAp é capaz de promover diferenciação celular e a matriz de hidrogel de quitosana com Pectina ou DNA possui potencial para a liberação controlada de fármacos(AU)

Current advances in biomaterial development are moving to 2 promising areas: tissue regeneration and controlled drug delivery. Thus, the present study aimed the synthesis and characterization of different matrices (fibers and hydrogel) based on chitosan, in order to obtain biomimetic materials for performance in both areas. For regeneration, the synthesis of a scaffold of chitosan fibers with and without nanohydroxyapatite crystals was delineated, where chitosan (Ch) and chitosan with hydroxyapatite (ChHa) solutions were electrospun. Ch specimens presented higher homogeneity and larger mean fiber diameter (690±102nm) than ChHa (358 ± 49nm). In the cell viability test and alkaline phosphatase activity there was no statistical difference between the experimental groups. (Ch and ChHa), but both differed from the control group (p < 0,001). For the drug release scope, two types of hydrogels were synthesized by the emulsion technique: the first, a mixture of the aqueous phase of Ch solution (1 mL) and DNA solution (1 mL) (1:1) and the second, mixture of the aqueous phase of the Ch solution (1mL) and Pectin solution (1 mL) (1:1). Both mixtures were performed in benzyl alcohol (5 mL) with high performance dispersion instrument (31-34000 rpm min-1 for 5 min). After obtaining the gels, 20mg from each group were immersed in an aqueous solution of Propolis Green (PV), at a concentration of 70 µg/mL for 2 h and the release kinetics of PV were analyzed at 25 and 37oC in water and artificial saliva. The obtained specimens were lyophilized and then physically-chemically characterized. The presence of pectin and DNA was confirmed by FTIR. PV sorption induced a significant modification of the gel surface. A phase separation was found between chitosan and DNA. Encapsulation efficiency did not change significantly between 25 and 37oC. The release kinetics in water or saliva presented a two-step mechanism. And the biological results showed that these materials are acceptable in the biological environment. Thus, it is concluded that the nHAp chitosan fiber matrix is capable of promoting cell differentiation, whereas the chitosan hydrogel matrix with Pectin or DNA are potential biomaterials for controlled drug release(AU)

Estudo da gelificação do produto de digestão de ECM descelularizada para uso em engenharia de tecidos / Gelation study of extracellular matrix digestion products for tissue engineering

Os implantes utilizados para regeneração tecidual ainda falham na tentativa de mimetizar as propriedades da matriz extracelular (ECM), o que compromete a viabilidade e aplicabilidade do material. Além disso, permanece o desafio de desenvolver um método de aplicação minimamente invasivo para evitar danos teciduais adicionais (Badylak et al., 2015; Crapo et al., 2011; Xing et al., 2014). Assim, o objetivo do projeto é desenvolver um hidrogel injetável composto de ECM de pericárdio, tendão e osso bovino enzimaticamente digerida e reticulada com glutaraldeído, ésteres ativados de NHS e derivados de polietilenoglicol (PEG). O protocolo de digestão foi modificado de Willians (Williams et al., 2015), utilizando tripsina, pepsina e colagenase. A quantificação de GAGs e peptídeos mostrou que, independentemente do substrato e enzima utilizados, o processo em etapas gerou uma maior concentração de estruturas em relação ao processo contínuo. Adicionalmente, a análise de dicroísmo circular mostrou que o processo em etapas preservou mais estruturas secundárias. O perfil proteico das ECMs foi analisado como descrito em Flores (Flores et al., 2016), e foi verificado que ele é altamente diverso e tecido - específico. A ECM do pericárdio possui 94 tipos diferentes de proteínas, seguidas pela ECM do tendão (48) e pela ECM óssea (35), sendo o colágeno α1 (1) e o colágeno α2 (1) presentes em todas elas. Além disso, os produtos digeridos ECMp aumentaram a proliferação e diferenciação de células-tronco mesenquimais da medula óssea a osteoblastos maduros. A cinética do processo de gelificação, bem como as propriedades mecânicas do gel são dependentes do tipo de agente reticulante, assim como da concentração da gelatina. Este novo material é altamente personalizável e adaptável à aplicação biológica desejada

The implants used for tissue regeneration still fail to mimic properties of extracellular matrix. It compromises the material viability and applicability. Furthermore, the challenge to manufacture a minimally invasive delivery system for it to avoid extra tissue damage still remains (Badylak et al., 2015; Crapo et al., 2011; Xing et al., 2014). Thus, the project goal is to develop an injectable hydrogel composed of pericardium, tendon and bovine bone ECM enzymatically digested and crosslinked with glutaraldehye, activated esters of NHS and polyethylene glycol (PEG) derivatives. The digestion protocol was modified from Willians (Williams et al., 2015), using trypsin, pepsin and collagenase as lytic enzymes. GAGs and peptides quantification showed that regardless of the substrate and enzyme, the stepwise process yields a higher amount of GAGs and peptides in comparison with the continuous process. In addition, circular dicroism analysis showed that the stepwise process preserves more secondary structures of proteins. ECMs protein profile was analyzed as in Flores (Flores et al., 2016) and verified that it is the highly diverse and tissue-specific. Pericardium ECM has 94 different types of proteins, followed by tendon ECM (48) and bones ECM (35), being collagen α1(1) and collagen α2(1) present in all of them. Furthermore, the ECMp digested products enhanced bone marrow mesenchymal stem cells proliferation and differentiation in mature osteoblast. The kinetics of the gelification process, as well as mechanical properties of the gel is dependent of the type of crosslinker and concentration of gelatin. This new material is highly customizable and adaptable to the biological application

Acute toxicity study of a polysaccharide based hydrogel from linseed for potential use in drug delivery system

ABSTRACT Linseed hydrogel (LSH) was evaluated by acute toxicity for its potential application in oral drug delivery design. White albino mice and rabbits were divided in four groups (I-IV) and different doses of LSH (1, 2 and 5 g/kg body weight) were given except to the control group (I) that was left untreated. Rabbits were monitored for eye irritation, acute dermal toxicity and primary dermal irritation, whereas, body weight, food and water consumption, hematology and clinical biochemistry, gross necropsy and histopathology of vital organs were scrutinized in mice. LSH was considered safe after eye irritation test as no adverse signs or symptoms were seen in the eye. In dermal toxicity and irritation study, skin of treated rabbits was found normal in color without any edema or erythema. After oral administration, there was no sign of any abnormalities in treated group animals (II-IV). The hematology and clinical biochemistry of treated group animals was comparable with the control group. Histopathology of vital organs has not shown any lesion or abnormalities. In the light of these outcomes, it can be concluded that LSH is not a hazardous biomaterial and could be incorporated as an excipient in oral and dermal preparations.

Preparation and characterisation of Dextran-70 hydrogel for controlled release of praziquantel

A hydrogel was developed from 70 kDa dextran (DEX-70) and praziquantel (PZQ) incorporated as a model drug. Biopharmaceutical properties, such as solubility and dissolution rate, were analysed in the design of the hydrogel. Furthermore, the hydrogel was also characterized by IR spectroscopy and DSC. Tests of the swelling rate showed that the hydrogel swelled slowly, albeit faster than the rate for the free polymer. In dissolution tests, the hydrogel released the drug slowly and continuously. This slow release was similar to that observed in the swelling tests and resulted in controlled release of the drug. Thus, this dextran is a suitable polymer for the development of hydrogels as vehicles for the controlled release of drugs.

Um hidrogel foi desenvolvido a partir de dextrano 70 kDa (DEX-70) e praziquantel incorporado (PZQ) como fármaco modelo. Propriedades biofarmacêuticas, como solubilidade e velocidade de dissolução, foram analisadas no desenvolvimento do hidrogel. Além disso, o hidrogel também foi caracterizado por espectroscopia na região do infravermelho e calorimetria diferencial exploratória (DSC). Testes da taxa de intumescimento mostraram que o hidrogel intumesce lentamente, embora tenha sido mais rápido do que a taxa do polímero livre. Nos testes de dissolução, o hidrogel liberou o fármaco lenta e continuamente. Esta liberação lenta foi semelhante a observada nos testes de intumescimento e resultou em uma liberação controlada do fármaco. Assim, o dextrano 70 kDa é um polímero adequado para o desenvolvimento de hidrogéis como veículos para a liberação controlada de fármacos.