Development of chitosan based biofoams

Abstract

Chitosan is a preferred bio-foam material used in many research fields such as tissue engineering and drug delivery due to its unique structural features (wide pH stability, nontoxic-biocompatible-biodegradable, anti-inflammatory, antimicrobial). However, chitosan foams are mechanically too weak to maintain the desired shape until newly formed tissue natures. A wound infection and serious tissue necrosis, endanger human's lives. So, a dressing is required to protect loss of fluids and proteins from the wound area and prevents any bacterial invasion replacing the function of skin temporarily. Therefore controlled drug release from a wound dressing is necessary with a biocompatibility and enough mechanical strength. The aim of this study was the synthesis of mechanically durable - dual porosity chitosan bio-foams to provide a controlled drug release. For this purpose, oil droplets formed in a chitosan solution were used as templates to produce micropores that also contain vancomycin (a model antibiotic-hydrophylic) and curcumin (a model anti-inflammatory-hydrophobic) in the walls of the chitosan matrix with large structural voids. An anionic surfactant, sodium dodecyl sulfate (SDS) alone, was used as a crosslinking agent which was a new approach. Then the structures were characterized by SEM, FTIR, mechanical tests and BET analysis. The chitosan foams have dual pore structures. 1) The intrinsic micro pores that the walls of chitosan matrix have with different morphology that depends on the oil phase. 2) The structural voids that the chitosan matrix have, present even in the absence of an oil phase that depends on the experimental conditions. The mechanical strength of the foams were found to be much higher (up to 250 kPa) compare to the foams produced in literature and suggested to be suitable to use for wound dressing applications. The drug release mechanism of foams were found to depend on the conditions used for foam development and the released kinetics were presented with a mathematical model.

Kitosan, eşsiz yapısal özellikleri (geniş pH stabilitesine sahip olmak, toksik olmamak, biyouyumlu, biyobozunur, antiinflamatuar ve antimikrobiyal olmak) nedeniyle doku mühendisliği ve ilaç salım sistemleri gibi birçok alanda biyo-köpük üretmek için kullanılan bir malzemedir. Bununla birlikte, kitosan köpükler, dokunun yeniden oluşması ya da iyileşmesine kadar geçen sürede istenen şeklini koruması açısından mekanik olarak çok zayıftır. Yara enfeksiyonu ve ciddi doku ölümü, insanların hayatını tehlikeye sokar. Bu nedenle, yara bölgesinden sıvı ve protein kaybını önlemek ayrıca cildin işlevini geçici olarak değiştiren bakteri istilasını engellemek için bir yara örtüsü gereklidir. Bununla birlikte, biyouyumluluğa ve yeterli mekanik mukavemete sahip yara örtülerinden kontrollü ilaç salınımı, yaraların tedavisi için önemlidir. Bu çalışmanın amacı, kontrollü bir ilaç salımı sağlamak için mekanik olarak dayanıklı ve iki farklı tip gözenek yapısına sahip kitosan biyo-köpüklerin sentezidir. Bu amaçla, kitosan çözeltisinde oluşturulan yağ damlacıkları, büyük yapısal boşluklara sahip kitosan matrisinin duvarlarında vankomisin (model antibiyotik-hidrofilik) ve curcumin (model antiinflamatuar-hidrofobik) içeren mikro gözenekler üretmek için şablon olarak kullanılmıştır. Yeni bir fikir olarak, anyonik bir yüzey aktif madde olan sodyum dodesil sülfat (SDS) çapraz bağlama maddesi olarak kullanılmıştır. Yapılar SEM, FTIR, BET analizi ve mekanik test ile karakterize edilmiştir. Kitosan köpükler iki farklı tip gözenek içeren yapıya sahiptir. Bunlar, 1) Kitosan matrisinin duvarlarında bulunan ve yağ fazına bağlı olarak farklı morfolojiye sahip olan gerçek mikro gözeneklerdir. 2) Kitosan matrisinin yağ fazı olmasa bile deney koşullarına bağlı olarak sahip olduğu yapısal boşluklardır. Köpüklerin mekanik mukavemetinin, literatürde üretilen köpüklere kıyasla çok daha yüksek (250 kPa 'a kadar) olduğu ve yara sargısı uygulamalarında kullanılmaya uygun olduğu görülmüştür. Köpüklerin ilaç salım mekanizmasının, köpük üretimi için kullanılan koşullara bağlı olduğu bulunmuştur ve salım kinetikleri, matematiksel bir modelle sunulmuştur.