Injectable Biopolymer-hydroxyapatite Hydrogels: Obtaining and their Characterization

Abstract

Гідрогелі на основі гідроксиапатиту (HA) і хітозану (CS) з додаванням альгінату натрію (Alg) були синтезовані методом «мокрої хімії». Структура, морфологія, хімічний та фазовий склад гідрогелів HA/CS та HA/CS/Alg охарактеризовані TEM, FTIR та XRD методами. Гідрогелі мають у своєму складі низько- кристалічний НА (JCPDS 9-432) з середнім розміром голчатих кристалітів 25 нм. Після введення порошку альгінату до складу НА/CS гідрогелю спостерігається підвищення в'язкості композиту в результаті поліелектролітної реакції між альгінатом і хітозаном. Два природних полімери та іони Ca2+, які частково вивільняються зі складу НА, утворюють полімерну матрицю шляхом зшивання макромолекул полімеру через гідроксильні, карбонільні та аміногрупи. Ці процеси сприяють формуванню більш стабільної структури гідрогелю НА/CS/Alg порівняно з HA/CS. Дослідження структурної цілісності та деградації матеріалів показали, що НА/CS/Alg1,0 зберігає свою початкову форму протягом 7 днів коливального навантаження в розчині SBF в шейкері (50 об/хв), в той час як НА/CS/Alg1,5 розпадається на фрагменти. HA/CS гідрогель повністю втрачає свою форму через 3 дня експозиції. Таким чином, здатність HA/CS гідрогелю підтримувати форму дефекту при імплантації в кісткову тканину підсилюється при додаванні альгінату, але вміст останнього більший, ніж 1 мас. % зменшує пластичність матеріалу, збільшує набухання і прискорює деградацію.

Гидрогели на основе гидроксиапатита (HA) и хитозана (CS) с добавлением альгината натрия (Alg) были синтезированы методом «мокрой химии». Структура, морфология, химический и фазовый состав HA/CS и HA/CS/Alg гидрогелей охарактеризованы TEM, FTIR и XRD методами. Гидрогели включают низко-кристаллический НА (JCPDS 9-432) со средним размером игольчатых кристаллитов 25 нм. После введения порошка Alg в состав HA/CS гидрогеля наблюдается повышение вязкости композита в результате полиэлектролитной реакции между альгинатом и хитозаном. Два природных полимера и частично высвобождающиеся из состава НА ионы Ca2+ формируют полимерную матрицу путем сшивки макромолекул полимеров через гидроксильные, карбонильные аминогруппы. Эти процессы способствуют формированию более стабильной структуры HA/CS/Alg гидрогеля по сравнению с HA/CS. Исследования структурной целостности и деградации материалов показали, что HA/CS/Alg1 0 сохраняет свою первоначальную форму после 7 дней колебательной нагрузки в растворе SBF в шейкере (50 rpm), в то время как HA/CS/Alg1,5 распадается на фрагменты. HA/CS гидрогель полностью теряет свою форму через 3 дня колебательного воздействия. Таким образом, способность HA/CS гидрогеля поддерживать форму дефекта при имплантации в костную ткань усиливается с добавлением альгината, но содержание последнего более чем 1 мас. % снижает пластичность материала, увеличивает набухание и ускоряет деградацию.

Hydrogels based on hydroxyapatite (HA) and Chitosan (CS) with addition of sodium alginate (Alg) were synthesized by in situ precipitation method. Structure, morphology, chemical and phase composition of the HA/CS and HA/CS/Alg hydrogels were characterized by TEM, FTIR and XRD. Hydrogels consist of low crystallinity calcium deficient hydroxyapatite (JCPDS 9 432), the needle-like crystallites have an average size 25 nm. The introduction of Alginate powder into HA/CS hydrogel solution demonstrate the viscosity enhancing of the HA/CS hydrogel due to polyelectrolyte reaction between Alginate and Chitosan macromolecules. Two natural polymers and partially released from hydroxyapatite Ca2+ ions formed a matrix by crosslinking the polymer macromolecules through hydroxyl, amino and carbonyl groups. These processes promote the formation of a more stable structure of HA/CS/Alg hydrogel as compared to HA/CS. The structural integrity and degradation tests have demonstrated that HA/CS/Alg1.0 saved its initial shape in 7 days of shaking in SBF solution, meanwhile for HA/CS, a structural decay was observed. The HA/CS hydrogel had completely lost its volume support after 1 day shaking in SBF. Thus, the ability of HA/CS hydrogel to maintain its shape with implantation into bone tissue defect may be enhanced with alginate addition, but alginate content more than 1 w/w % reduces the hydrogel plasticity, increases the swelling and accelerates the shape decay.