| License: Publishing license for publications excluding print on demand (12MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-335202
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.33520
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 3 April 2017 |
| Referee: | Prof. Dr. Achim Göpferich |
| Date of exam: | 17 February 2016 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich) |
| Projects (Historical): | MAST Biosurgery AG |
| Keywords: | Alginat, Hyaluronsäure, Adhäsionsprophylaxe, alginate, hyaluronic acid, adhesion prevention |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Partially |
| Item ID: | 33520 |
Abstract (English)
Current clinically used lipophilic anti-adhesive films, like SurgiWrap®, have to be fixed to the affected tissue using sutures due to their limited adhesiveness and only degrade very slowly within months and years due to the hydrophobicity and the high molecular weight of the used PLA, which effectively inhibits the uptake of water. The aim of this work was to prepare films that have a much ...
Abstract (English)
Current clinically used lipophilic anti-adhesive films, like SurgiWrap®, have to be fixed to the affected tissue using sutures due to their limited adhesiveness and only degrade very slowly within months and years due to the hydrophobicity and the high molecular weight of the used PLA, which effectively inhibits the uptake of water. The aim of this work was to prepare films that have a much faster degradation pathway due to a hydrogel nature and ideally adhere to the tissue by themselves. Therefore, films of different hydrophilic polymers were prepared, which were thought to provide faster degradation and subsequent elimination as well as good adhesive properties. One investigated polymer was the very well established alginate, which has shown its good characteristics to support skin healing already in commercial wound dressings. However, due to its hydrophilicity and good water solubility, a film consisting of alginate alone would swell and dissolve very fast in the moist environment of the peritoneal cavity. Therefore several cross-linking techniques were established and investigated to obtain thin films with suitable mechanical properties as well as erosion time. As alternative polymer with beneficial properties for wound healing applications hyaluronic acid was chosen, since it is an essential component of the physiological extracellular matrix of many tissues. Whereas a labile physical cross-linking was preferred for the alginate films, films prepared of hyaluronic acid were cross-linked chemically using an easy degradable disulfide linkage to provide sufficient dissolution stability. Due to the obtained limited mechanical stability of the hydrophilic alginate film, it was also investigated in different combinations with anti-adhesive PLA layers to prepare a bifacial film for adhesion prevention after peritoneal surgery. The resulting layered constructs accordingly would be mucoadhesive on one side and anti-adhesive on the PLA side allowing to keep affected tissues glidingly separated and eventually allow a more convenient application by the surgeon.
To obtain a homogeneous distribution of the alginate cross-linking calcium within the film, calcium was added to the polymer solution in form of hardly soluble calcium salts or as stable calcium complex to avoid an uncontrolled and rapid gelation. After casting thin films into a perti dish or with the help of a drawing apparatus onto a glass plate (Chapter 3) the calcium could be released well-controlled by lowering the pH with addition of acids, like lactic acid or a slowly hydrolyzing lactone, like GDL. This process subsequently led to the formation of visibly clear films of accurate thickness and defined cross-linking density.
Initially the process was established using lactic acid solutions, which were sprayed on the turbid films to dissolve the calcium salts. Despite the observed clearing of the films, the added lactic acid also acted as softener, which was revealed during the subsequent mechanical testing of the dry films. The technically different spraying onto films was therefore replaced with a slowly hydrolyzing lactone added to the drawing solution. As further alternative calcium source, the pH-dependent calcium complex with EDTA was also investigated, but here the remaining EDTA acid in the films impeded the cross-linking leading to a fast dissolution in neutral buffer solutions. Accordingly, the better dispersible dibasic calcium phosphate was chosen as calcium source together with gluconic acid δ-lactone as acid component, which lead to homogenous films with adjustable mechanical properties as well as erosion time.
As the preparation of thin films using the drawing apparatus led to very brittle air-dried films, this problem had to be overcome by the addition of suitable plasticizers, like hydrophilic glycerol or polyethylene glycol. Since the small glycerol is most likely withdrawn from the film in the peritoneal cavity very rapidly, the immobilization of the larger PEG was also investigated via chemical linkage to the alginate chains. The physical as well as the chemical addition of PEG did not lead to the desired softening effect, because in both cases PEG tended to crystalize in the dry films. Instead only glycerol with an optimal concentration of 10 % was applied as plasticizer for further film preparation, which was even independent of the minimal residual amounts of water retained by different amounts of glycerol.
The obtained films were investigated regarding their mechanical properties (tensile, puncture and suture pullout tests) and regarding their degradation time in calcium containing buffer solutions over eight weeks. All these investigations of differently composed films and preparation techniques proved that thin alginate films with adjustable mechanical properties and erosion times could be prepared, mainly controlled by the chosen calcium amount and the appropriate content of plasticizer.
Based on these results it was concluded that the actually incorporated calcium amounts mainly determined the properties of the obtained films. For this reason two alginates with different guluronic acid contents were chosen to investigate the impact of the polymer on the cross-linking process and the resulting film properties (Chapter 4). In order to use accurate calcium amounts the calcium binding capacity of the used polymers was verified using isothermal titration calorimetry and accordingly defined amounts of calcium were used for the film preparation. Additional rheological tests, turbidity measurements and a mechanical test of the freshly formed gels further verified the dependence of the cross-linking efficiency on the present calcium amounts as well as the presence of guluronic acid blocks. Finally also the obtained films prepared from the different alginates were tested mechanically and a degradation study in buffers with different calcium amounts was performed. These results showed that the mechanical properties as well as degradation time can also be significantly influenced by the choice of alginate with respect to its guluronic acid content and the used calcium amounts incorporated in the films. The higher the cross-linking extent the longer was the observed degradation time. The mechanical tests furthermore showed, that the properties of the films could not steadily be improved with increasing cross-linking extent, but instead reached a maximum and became even worse, because the resulting films became too stiff and brittle, e.g. for surgical handling. This furthermore highlights the important necessity to determine the actual binding capacity of each used alginate.
To additionally investigate the drug release from thin polymer films two different positively charged drugs, gentamicin sulfate and vancomycin hydrochloride, were incorporated in films prepared from hydrophilic alginate, lipophilic PLA and PLA PEG PLA consisting of hydrophilic and lipophilic polymer blocks (Chapter 5). To be able to prepare films from the lipophilic polymers with a homogenous distribution of the hydrophilic drugs two loading procedures were established. With the suspension method, the hydrophilic drug was merely suspended in the polymer solution in form of a dry powder leading to quite big as received drug crystals. With the cosolvens method, the hydrophilic drug was initially dissolved in the cosolvens methanol before it was added to the lipophilic polymer solution, which generally led to the formation of much smaller drug crystals in the dry polymer films.
During the drug loading of the hydrophilic alginate films with the charged drugs, especially gentamicin showed strong ionic interactions with alginate leading to the formation of stable complexes. Therefore a drug-polymer-complex was prepared via precipitation and subsequently added to the drawn films. The studied drug release for all films was performed with discs in HEPES buffer containing a defined amount of calcium in order to sufficiently stabilize the otherwise dissolving alginate film during the investigation time of the release.
The observed release profiles demonstrated that the release of a hydrophilic drug could be strongly influenced by the polymer used for film preparation and the method of drug loading. The more hydrophilic polymer films also led to a higher released amount of the hydrophilic drug. Even the different methods of drug loading showed a detectable effect, indicating that bigger crystals prepared with the suspension method led to a higher absolute drug release in the investigated time, because the bigger drug crystals reaching out of the thin polymer film could be dissolved faster and more effective than small crystals buried in the lipophilic polymers.
However it was also shown that the expected ionic interactions between the negatively charged polymer alginate and the positively charged gentamicin did not significantly affect the release kinetics, leading only to a minimally delayed drug release, but instead 100 % released amounts from the hydrophilic alginate films, which was generally not achieved for the lipophilic PLA based polymers.
With the help of additional microbiological tests the efficacy of the films against the bacteria escherichia coli, staphylococcus aureus and staphylococcus epidermidis could be demonstrated. Accordingly films were prepared, which release biologically effective drug compounds and provide antibiotic activity that correlates well with the drug amounts detected during the release study.
For the finally investigated cross-linking of hyaluronic acid, a chemical cross-linking was chosen due to the less effective interaction with divalent ions. To cross-link the films properly, hyaluronic acid was thiolated using carbodiimide chemistry with a thiol bearing hydrazide (Chapter 6). The cross-linking extent of the prepared films was investigated using hyaluronic acids of two different molecular weights and different degrees of substitution. As expected, the substitution degree could be strongly influenced by the used amounts of activating carbodiimide. However it could also be demonstrated, that steric interactions of the high molecular weight polymer strongly influenced the resulting substitution with thiol. Especially for the high molecular weight polymer the observed strong gel formation during synthesis lead to less effective conjugation and therefor unpredictable and less effective substitution, probably even with different local distribution along the polymer chain.
During the subsequent film preparation, the influence of the drying speed and the pH of the polymer solutions on the cross-linking extend were investigated. In order to form disulfide bridges, the thiolated hyaluronic acid had to be dissolved in appropriate buffers or be neutralized before drawing on the glass plate. Furthermore the still hydrated films needed oxidizing agents like oxygen and retention of the humidity in order to allow effective oxidation and initiation of cross-linking throughout the films. Fast drying of the films led to insufficient cross-linking and rapid dissolution of the obtained dried polymer films.
In order to enhance the cross-linking process, thiolated hyaluronic acids were furthermore oxidized with alloxan and H2O2 and investigated using rheological measurements and a confined compression test. The mechanical evaluation of the obtained films finally demonstrated that similar to alginate the higher cross-linking extend led to more brittle films, indicating the need for additional plasticizers. Also the swelling of the films demonstrated a clear dependence on the achieved cross-linking of the hyaluronic acid. Accordingly further improvements are necessary before these pure hyaluronic acid films can be used in a clinical setting.
The preparation of bifacial films of hydrophilic and lipophilic polymers comes along with several aspects that have to be regarded. Besides the different solubilities of the polymers the wettability and spreading of the layers had to be optimized (Chapter7). Furthermore due to the significantly different properties of the used polymers, the two layers did not stick to each other after drying and an easy procedure to enhance cohesion had to be identified. To overcome these problems different additives like PEI and glycerol were investigated as cohesion promoters. PEI was added to the lipophilic PLA layer, to introduce positive charges and enhance spreading of the subsequently drawn hydrophilic alginate layer. Furthermore the negatively charged alginate could interact with the positive charges of the PEI in the PLA layer, which might additionally enhance the cohesion. Glycerol in significantly higher amounts than as plasticizer (Chapter 3 and 4) was also supplied to the alginate layer in order to make it stickier and increase the cohesion to the PLA layer. That already allowed the preparation of bilayers and made the two layers stick to each other initially. Unfortunately the two layers of all bilayers could be easily separated after drying, further incubation of the films in buffer even showed, that the cohesion promoters are only effective in the air dried films, resulting in immediate delamination in buffer. Accordingly these bifacial films are only beneficial for the immediate handling of the films during surgical application, since the mucoadhesive film will only stay temporarily on the PLA layer.
Another investigated possibility to enhance cohesion of the two film layers was the modification with the help of porous polymer meshes. The PLA layer was accordingly covered with an electrospun mesh consisting of lipophilic PLA or the more hydrophilic PLA PEG PLA. Although contact angle measurements revealed, that the meshes had a higher contact angle than the pure PLA film, the alginate solution drawn onto the PLA film covered with the PLA PEG PLA mesh penetrated into the mesh and made the two layers stick to each other much stronger than for the investigated bilayers. In contrast the alginate solution did not penetrate into the more lipophilic PLA mesh, indicating also an effect of the used polymer for electrospinning. Subsequently performed T-peel tests revealed that the separation of the two layers connected with the mesh needed higher forces than the separation of the two layers without the mesh. Accordingly, the finally performed mucoadhesion test demonstrated that the created layered device was stable enough to show adhesion to tissue without separation of the alginate layer from the PLA layer. Layered constructs of different polymers may therefore be ideal new devices to provide mucoadhesion and anti-adhesive properties in one system.
Translation of the abstract (German)
Zurzeit müssen lipophile antiadhäsive Filme, wie SurgiWrap®, an betroffenes Gewebe angenäht werden, da sie nicht unmittelbar am Gewebe anhaften. Des Weiteren bauen sich diese Filme aus PLA aufgrund ihres hydrophoben Charakters und der dadurch gehinderten Wasseraufnahme im Körper sehr langsam ab, was Monate bis Jahre dauern kann. Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von Filmen, welche sich ...
Translation of the abstract (German)
Zurzeit müssen lipophile antiadhäsive Filme, wie SurgiWrap®, an betroffenes Gewebe angenäht werden, da sie nicht unmittelbar am Gewebe anhaften. Des Weiteren bauen sich diese Filme aus PLA aufgrund ihres hydrophoben Charakters und der dadurch gehinderten Wasseraufnahme im Körper sehr langsam ab, was Monate bis Jahre dauern kann. Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von Filmen, welche sich aufgrund ihres hydrophilen Charakters schneller abbauen und sich idealerweise am Gewebe anheften. Um dies zu erreichen wurden Filme aus unterschiedlichen hydrophilen Polymeren hergestellt, welche einen schnelleren Abbau und daher eine schnellere Elimination, sowie auch die Fähigkeit zur Gewebeanhaftung aufwiesen. Ein dafür eingesetztes Polymer war das schon klinisch etablierte Alginat, welches seine guten Eigenschaften bei der Unterstützung der Wundheilung in kommerziell erwerblichen Wundauflagen gezeigt hat. Allerdings würde sich ein Film, welcher nur aus Alginat besteht aufgrund seiner Hydrophilie und guten Wasserlöslichkeit in der feuchten Umgebung des Peritoneums relativ schnell auflösen. Daher wurden mehrere Quervernetzungsmethoden etabliert und untersucht, um dünne Filme mit geeigneten mechanischen Eigenschaften und Abbauzeiten zu erhalten. Als weiteres Polymer mit guten Eigenschaften für die Wundheilung wurde Hyaluronsäure gewählt, da sie ein essentieller Bestandteil der physiologischen Extrazellulärmatrix vieler Gewebe ist. Wohingegen eine leichte physikalische Quervernetzung für die Alginatfilme bevorzugt wurde, wurden die Filme aus Hyaluronsäure chemisch mit reduktiv spaltbaren Disulfidbrücken quervernetzt, um eine ausreichende Stabilität gegenüber einer schnellen Auflösung zu gewährleisten. Aufgrund der nur limitierten mechanischen Stabilität der hydrophilen Alginatfilme wurden diese außerdem mit einer antiadhäsiven PLA Schicht kombiniert, um einen zweiseitigen Film für die Vermeidung von Adhäsionen nach peritonealen Operationen herzustellen. Die resultierenden mehrlagigen Konstrukte weisen eine mukoadhäsive Schicht auf der einen Seite und eine antiadhäsive Schicht auf der PLA Seite auf, welche das Gleiten des beeinträchtigten Gewebes gewährleisten und ebenso die Handhabung durch den Chirurgen erleichtern soll.
Um eine homogene Verteilung des Alginat-vernetzenden Calciums im Film zu erhalten, wurde das Calcium in Form eines schwer löslichen Calciumsalzes oder eines stabilen Calciumkomplexes zu der Polymerlösung hinzugegeben, um eine unkontrollierte schnelle Quervernetzung zu vermeiden. Nachdem dünne Filme in Petrischalen gegossen oder mit Hilfe eines Filmziehgerätes auf Glasplatten gezogen wurden (Kapitel 3) konnte das Calcium kontrolliert freigesetzt werden, indem der pH-Wert durch Zugabe von Säuren, wie Milchsäure oder des langsam hydrolysierenden Laktons GDL, herabgesetzt wurde. Mit diesem Prozess konnten transparente, klare Filme mit einer definierten Schichtdicke und Quervernetzungsdichte hergestellt werden.
Zunächst wurde der Prozess mit Milchsäure etabliert, welche auf die trüben Filme gesprüht wurde, um das Calciumsalz aufzulösen. Neben der zu beobachtenden Klärung der Filme wirkte die Milchsäure aber zusätzlich auch als Weichmacher, was anschließende mechanische Testungen der getrockneten Filme zeigten. Das undefinierte Besprühen der Filme wurde daher durch ein langsam hydrolysierendes Lakton ersetzt, welches zu der auszuziehenden Lösung gegeben wurde. Eine weitere alternative Calciumquelle, der pH sensitive Calcium-EDTA-Komplex wurde auch untersucht, in dem Fall verhinderte das im Film verbleibende EDTA die effiziente Quervernetzung, was zu einer zügigen Auflösung in neutralem Puffer führte. Demzufolge wurde das besser dispergierbare Calcium-hydrogenphosphat als bevorzugte Calciumquelle in Kombination mit GDL als saure Komponente verwendet, was zu homogenen Filmen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften sowie variablen Abbauzeiten führte.
Da die Herstellung von dünnen Filmen mit Hilfe eines Filmziehgeräts zu sehr brüchigen luftgetrockneten Filmen führte, mussten Weichmacher, wie Glycerin oder Polyethylenglykol, hinzugegeben werden, um dieses Problem zu beheben. Weil das kleine Glycerin in der Peritonealhöhle wahrscheinlich recht schnell aus dem Film herausgelöst wird, wurde eine Fixierung des größeren PEGs über eine chemische Bindung an die Alginatkette untersucht. Die physikalische aber auch die chemische Zugabe von PEG führte jedoch nicht zu dem erwünschten weichmachenden Effekt, da in beiden Fällen das PEG dazu neigte in den getrockneten Filmen auszukristallisieren. Stattdessen wurde nur Glycerin mit einer optimalen Konzentration von 10 % als Weichmacher für weitere Filmherstellungen verwendet, was unabhängig von dem zurückgehaltenem Wasser war, welches von unterschiedlichen Mengen Glycerin im Film zusätzlich gebunden wurde.
Die erhaltenen Filme wurden bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften (Zug-, Durchstoß- und Fadenausreißtest) und ihrer Abbaubarkeit in Calcium haltigen Pufferlösungen über einen Zeitraum von acht Wochen untersucht. All diese Untersuchungen von Filmen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Herstellungsmethoden zeigten, dass Filme mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften und Abbauzeiten hergestellt werden konnten. Dies wurde hauptsächlich von der gewählten Calciummenge und dem entsprechenden Gehalt an Glycerin kontrolliert.
Basierend auf diesen Ergebnissen konnte man schlussfolgern, dass die tatsächlich vorhandene Menge Calcium hauptsächlich verantwortlich ist für die Eigenschaften der resultierenden Filme. Aus diesem Grund wurden zwei Alginate mit unterschiedlichem Gehalt an Guluronsäure gewählt, um auch den Einfluss des Polymers auf den Quervernetzungsprozess und die erhaltenen Filmeigenschaften zu untersuchen (Kapitel 4). Um eine möglichst exakte Menge an Calcium zu benutzen, wurde die Calciumbindungskapazität der benutzen Polymere mit Hilfe der isothermen Titrationskalorimetrie überprüft und entsprechende Calciummengen für die Filmherstellung benutzt. Zusätzlich durchgeführte rheologische Tests, Trübungsmessungen und mechanische Tests der frisch hergestellten Gele zeigten die Abhängigkeit der Quervernetzungseffektivität sowohl von der vorhandenen Calciummenge als auch der Häufigkeit der Guluronsäureblöcke. Schlussendlich wurden auch die aus den unterschiedlichen Alginaten hergestellten Filme mechanisch getestet und eine Abbaustudie in Puffern mit unterschiedlichen Calciummengen durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigten, dass sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Abbauzeit stark von der Wahl des Alginates mit seinem Guluronsäuregehalt und der eingearbeiteten Calciummenge beeinflusst werden können. Je höher der Quervernetzungsgrad, desto länger war die beobachtete Abbauzeit. Die mechanischen Tests zeigten außerdem, dass die Eigenschaften der Filme nicht stetig mit einer Erhöhung des Quervernetzungsgrads verbessert werden konnten. Es wurde im Gegenteil ein Maximum beobachtet, nach welchem die Filme schlechter wurden, da die Filme dann steif und brüchig wurden, was für die chirurgische Handhabung nicht geeignet wäre. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Untersuchung der Bindungskapazität jedes verwendeten Alginats für weitere Filmherstellungen.
Um zusätzlich die Arzneistofffreisetzung aus dünnen Polymerfilmen zu untersuchen, wurden zwei positiv geladene Arzneistoffe, Gentamicinsulfat und Vancomycin-hydrochlorid in Filme eingearbeitet, welche aus hydrophilem Alginat, lipophilem PLA und PLA PEG PLA bestehend aus hydrophilen und lipophilen Polymerblöcken hergestellt wurden (Kapitel 5). Um Filme aus den lipophilen Polymeren mit einer homogenen Verteilung der hydrophilen Arzneistoffe herstellen zu können, wurden zudem zwei Beladungsmethoden etabliert. Mit der Suspensionsmethode wurde der Arzneistoff in Form eines trockenen Pulvers lediglich in der Polymerlösung suspendiert was zu recht großen Arzneistoffkristallen im Film führte. Mit der Kosolvensmethode wurde der hydrophile Arzneistoff zunächst im Kosolvens Methanol gelöst, bevor er zur Polymerlösung gegeben wurde, was generell zur Bildung von viel kleineren Kristallen im trockenen Polymerfilm führte.
Während der Arzneistoffbeladung der hydrophilen Alginatfilme mit den geladenen Arzneistoffen, zeigte insbesondere Gentamicin eine starke ionische Wechselwirkung mit dem Alginat, was zur Bildung eines stabilen Komplexes führte. Daher wurde mit einer Präzipitation ein Arzneistoff-Polymer-Komplex hergestellt, mit welchem anschließend die Filme beladen und gezogen werden konnten. Die resultierende Arzneistofffreisetzung aus allen Filmen wurde mit Scheiben in HEPES Puffer untersucht, welcher eine definierte Menge an Calcium enthielt, um den Alginatfilm über die Zeit der Untersuchung der Arzneistofffreisetzung zu stabilisieren, da dieser sind sonst aufgelöst hätte.
Die beobachteten Freisetzungsprofile zeigten, dass die Freisetzung eines hydrophilen Arzneistoffs sowohl stark vom für die Filmherstellung verwendeten Polymer als auch von der Methode der Arzneistoffbeladung beeinflusst werden kann. Die hydrophileren Polymerfilme führten so zu einer deutlich höheren Freisetzung des hydrophilen Arzneistoffs. Auch die unterschiedlichen Methoden der Arzneistoffbeladungen zeigten einen nachweisbaren Effekt. Größere Kristalle, hergestellt mit der Suspensionsmethode führten zu einer höheren Freisetzung im untersuchten Zeitraum, da die größeren Kristalle aus dem dünnen Film herausschauten und schneller aufgelöst werden konnten als kleine Kristalle, welche im lipophilen Polymer eingebettet waren.
Jedoch konnte auch gezeigt werden, dass die erwarteten ionischen Interaktionen zwischen dem negativ geladenen Alginat und dem positiv geladenen Gentamicin die Freisetzungskinetik nicht signifikant beeinflussten. Es kam lediglich zu einer minimalen initialen Verzögerung der Arzneistofffreisetzung, dann aber zu einer vollständigen Freisetzung aus den hydrophilen Alginatfilmen, was jedoch generell nicht mit den lipophilen Polymeren beobachtet wurde.
Mit Hilfe zusätzlich durchgeführter mikrobiologischer Tests konnte die Effektivität der Filme gegen Bakterien wie Escherichia Coli, Staphylococcus Aureus und Stapylococcus Epidermidis gezeigt werden. Entsprechend wurden Filme hergestellt, welche biologisch aktive Arzneistoffkomponenten freisetzten und eine antibiotische Aktivität boten, welche mit den Arzneistoffmengen, welche während der Freisetzungsversuche gefunden wurden korrelierten.
Für die weiterhin untersuchte Quervernetzung der Hyaluronsäure wurde eine chemische Quervernetzung gewählt, was aufgrund der weniger effektiven Interaktion mit bivalenten Ionen notwendig war. Um die Filme ausreichend zu vernetzten, wurde die Hyaluronsäure mit einem Thiol haltigen Hydrazid mit Hilfe der Carbodiimid-Chemie thiofunktionalisiert (Kapitel 6). Um den Quervernetzungsgrad der hergestellten Filme zu untersuchen, wurden zwei Hyaluronsäuren mit unterschiedlichen Molekulargewichten und unterschiedlichen Substitutionsgraden benutzt. Wie erwartet konnte der Substitutionsgrad stark von den eingesetzten Mengen an aktivierendem Carbodiimid beeinflusst werden. Jedoch konnte auch gezeigt werden, dass sterische Interaktionen der hochmolekularen Polymere die resultierende Substitution mit Thiolen stark beeinflussten. Speziell für das Polymer mit dem hohen Molekulargewicht konnte während der Synthese so eine starke Gelbildung beobachtet werden, was zu einer wenig effektiven Konjugation und somit weniger effektiven Substitutionen führte. Wahrscheinlich führte das sogar zu einer unterschiedlichen lokalen Verteilung der Thiolfunktionen entlang der Polymerkette.
Während der anschließenden Filmherstellung wurde der Einfluss der Trocknungs-geschwindigkeit und des pH-Wertes der Polymerlösung auf den Quervernetzungsgrad untersucht. Um Disulfidbrücken auszubilden, musste die thiofunktionalisierte Hyaluronsäure in einem angemessenen Puffer gelöst und neutralisiert werden, bevor sie auf einer Glasplatte ausgezogen werden konnte. Außerdem benötigten die hydratisierten Filme oxidierende Substanzen wie Sauerstoff und eine gewisse Restfeuchtigkeit, um eine effektive Oxidation und Initiation der Quervernetzung im Film zu gewährleisten. Eine zu schnelle Trocknung der Filme führte zu einer nicht ausreichenden Quervernetzung und somit zu einer vorzeitigen Auflösung der erhaltenen trockenen Polymerfilme.
Um den Quervernetzungsprozess zu verbessern wurde die thiofunktionalisierte Hyaluronsäure mit Alloxan oder H2O2 oxidiert und mit Hilfe von rheologischen Messungen und eines Kompressionstests untersucht. Die mechanischen Tests der erhaltenen Filme zeigten, dass ähnlich zu den Alginatfilmen eine höhere Quervernetzung zu brüchigeren Filmen führte, was zeigt, dass ein zusätzlicher Weichmacher benötigt wird. Auch die Quellung der Filme zeigte eine deutliche Abhängigkeit von der erreichten Quervernetzung der Hyaluronsäure. Daher sind weitere Verbesserungen notwendig damit die puren Hyaluronsäurefilme eingesetzt werden können.
Die Herstellung von zweiseitigen Filmen aus einem hydrophilen und einem lipophilen Polymer geht einher mit mehreren Aspekten, welche in Betracht gezogen werden müssen. Neben der unterschiedlichen Löslichkeit der Polymere, muss die Benetzbarkeit und die Spreitung der Schichten optimiert werden (Kapitel 7). Aufgrund der signifikant unterschiedlichen Eigenschaften der Polymere, haften die zwei Lagen nach Trocknung nicht aneinander. Daher musste eine einfache Prozedur entwickelt werden um die Anhaftung der Lagen zu verbessern. Um dieses Problem zu beheben wurden unterschiedliche Zusätze wie Polyethylenimin (PEI) und Glycerin eingesetzt um die Haftung zu verbessern. PEI wurde zur lipophilen PLA Schicht hinzugegeben, um positive Ladungen in den Film einzubringen und die Spreitung der anschließend ausgezogenen hydrophilen Alginatschicht zu verbessern. Des Weiteren konnte das negativ geladene Alginat mit den positiven Ladungen des PEI in der PLA-Schicht interagieren, was die Anhaftung zusätzlich verbesserte. Glycerin in signifikant höheren Konzentrationen als eingesetzt als Weichmacher (Kapitel 3 und 4) wurde zu der Alginatschicht gegeben, um diese klebriger zu machen und die Anhaftung an die PLA Schicht zu erhöhen. Dies erlaubte erstmals die Herstellung von zweischichtigen Filmen, in denen die beiden Lagen aneinander hafteten. Unglücklicherweise konnten die zwei Schichten aller zweischichtigen Filme nach der Trocknung leicht wieder voneinander getrennt werden. Eine zusätzliche Inkubation in Puffer zeigte, dass die Zusätze, welche die Kohäsion ermöglichten nur in den getrockneten Filmen effektiv waren und sich im Puffer sofort trennten. Daher sind die zweiseitigen Filme nur für die direkte Anwendung während einer Applikation von Nutzen, da der mukoadhäsive Film nur für einen sehr kurzen Zeitraum an der PLA Schicht haftet.
Eine weitere Möglichkeit die Haftung der Schichten zu verbessern war die Modifikation mit Hilfe von porösen Polymernetzen. Die PLA Schicht wurde mit einem elektrogesponnenen Netz aus lipophilem PLA oder hydrophilerem PLA PEG PLA beschichtet. Obwohl Kontaktwinkelmessungen zeigten, dass die Netze einen höheren Kontaktwinkel als der Film aufwiesen, konnte die Alginatlösung, welche auf dem mit einem PLA PEG PLA Netz beschichteten PLA Film ausgezogen wurde, in das Netz eindringen und sorgte dafür, dass die beiden Schichten stärker aneinander hafteten als bei den einfachen zweischichtigen Filmen. Im Gegensatz dazu konnte die Alginatlösung jedoch nicht in das lipophile PLA Netz eindringen, was auch einen Einfluss des für das Elektrospinnen verwendeten Polymers zeigte. Anschließend durchgeführte Abschältests zeigten, dass die Trennung der zwei Schichten, welche über ein Netz miteinander verbunden waren höhere Kräfte benötigte als die Trennung von zwei Schichten ohne Netz. Demzufolge zeigten Mukoadhäsionstest, dass die hergestellten mehrschichtigen Filme stabil genug sind, um an Gewebe zu haften, ohne dass sich die Alginatschicht von der PLA Schicht trennt. Daher können mehrschichtige Filme aus unterschiedlichen Polymeren ein ideales neues Produkt darstellen, welches mukoadhäsive und antiadhäsive Eigenschaften in einem System aufweist.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:53
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