Kinetika i mehanizam otpuštanja srebra iz nanokompozitnih Ag/alginatnih hidrogelova za različite primene

Abstract

Nanokompoziti na bazi alginatnih hidrogelova sa nanočesticama srebra su atraktivni za primenu u medicini, i to kao antimikrobne obloge za rane i implantati za meka tkiva. Ovi nanokompoziti omogućavaju stabilizaciju i kontrolisano otpuštanje nanočestica i/ili jona srebra dok sam hidrogel obezbeđuje hidrofilnu, biokompatibilnu sredinu. Pored toga, atraktivni su i za primenu kao komponente funkcionalnih pakovanja za hranu gde bi mogli da obezbede antimikrobno dejstvo i time, i produženi vek trajanja hrane. Prema tome, funkcionalnost Ag/alginatnih nanokompozitnih hidrogelova u velikoj meri zavisi od načina i brzine otpuštanja srebra. Pored toga, poznavanje mehanizma i kinetike otpuštanja nanočestica i/ili jona srebra je krucijalno i sa stanovišta utvrđivanja uticaja ovih nanokompozita na ljudski organizam i životnu sredinu prilikom upotrebe. Cilj istraživanja u ovoj doktorskoj disertaciji je bio razvoj matematičkih modela koji bi opisali mehanizam i kinetiku otpuštanja nanočestica i/ili jona srebra iz nanokompozitnih alginatnih hidrogelova radi postizanja antimikrobne aktivnosti u različitim primenama. Shodno tome, fokus je stavljen na hidrogelove sa elektrohemijski sintetisanim nanočesticama srebra za potencijalnu primenu u medicini, kao i na razvoj i karakterizaciju kompozitnih polimernih filmova sa alginatnim mikročesticama sa sadržanim nanočesticama srebra sintetisanim hidrotermalnom metodom za primenu u pakovanju hrane. Primenom obe navedene metode u rastvoru natrijum-alginata uspešno su sintetisane sferične nanočestice srebra u opsegu veličina od 4 – 30 nm dajući stabilne Ag/alginatne koloidne rastvore. Ovi rastvori su dalje bili pogodni za dobijanje hidrogelova u različitim oblicima tako da su izlivanjem dobijeni nanokompozitni diskovi, a elektrostatičkom ekstruzijom nanokompozitne mikročestice. Hidrogelovi sa elektrohemijski sintetisanim nanočesticama su zatim ispitivani u pogledu kinetike otpuštanja nanočestica i/ili jona srebra pri različitim hidrodinamičkim uslovima relevantnim za primenu u medicini. Statički uslovi i direktan kontakt dva hidrogela su imitirali obloge za rane i implantate u neprokrvljenim tkivima dok su ipitivanja pri kontinualnom protoku fluida imitirala implantaciju u vaskularizovana tkiva. Posebno su ii izvedeni eksperimenti u vodi i fiziološkom rastvoru kao modelu bioloških fluida. Na osnovu eksperimentalnih ispitivanja su zatim razvijeni i uspešno primenjeni matematički modeli koji su uključili difuziju nanočestica srebra kroz alginatnu matricu, reakciju oksidacije nanočestica i reakciju sa jonima hlora iz rastvora, i, najzad, difuziju nagrađenih formi AgClx (x-1)-. Dobijeni su veoma niski koeficijenti dufuzije nanočestica srebra iz vlažnih Ag/alginatnih mikročestica u vodi reda veličine ~ 10-18 m2 s-1 što ukazuje na dobru stabilizaciju nanočestica srebra u alginatnoj matrici. U direktnom kontaktu sa alginatnim hidrogelom u statičkim uslovima, mala količina (~ 0,7 %) nanočestica je migrirala stvarajući veće agregate na površini hidrogela i više manjih agregata (~ 400 nm) unutar hidrogela. Sa druge strane, kontinualni protok vode kroz pakovani sloj Ag/alginatnih mikročestica je izazvao nekoliko puta veće otpuštanje srebra izazvano spiranjem nanočestica intersticijalnom brzinom fluida unutar mikročestica koja je određena kao ~ 5 nm s-1. Matematičko modelovanje otpuštanja srebra iz Ag/alginatnih mikročestica u fiziološkom rastvoru je ukazalo na oksidaciju nanočestica kinetikom prvog reda sa konstantom brzine reda veličine ~ 10-6 s-1. Pri tome je brzina oksidacije i reakcije sa jonima hlora rasla sa brzinom prenosa mase ovih jona tako da je bila najveća u slučaju suvih Ag/alginatnih mikročestica u kojima je tokom bubrenja ostvaren konvektivni prenos. Shodno tome, brzina difuzije nagrađenih AgClx (x- 1)-1 formi u tom slučaju je bila i najmanja ukazujući da je najverovatnije većim delom formiran precipitat AgCl...

Nanocomposite alginate hydrogels with incorporated silver nanoparticles are attractive for medical applications such as antimicrobial wound dressings and soft tissue implants. These nanocomposites provide stabilization and controlled release of silver nanoparticles and/or ions while the hydrogel itself, provides a hydrophilic and biocompatible environment. In addition, Ag/alginate nanocomposites are attractive for applications as components of functional food packaging due to antimicrobial effects that prolong food freshness. Thus, the functionality of Ag/alginate nanocomposite hydrogels largely depends on the rate and route of silver release. Furthermore, understanding the kinetics and mechanism of silver nanoparticle and/or ion release is crucial from the point of assessing the effects on human tissues and the body as well as on the environment during the nanocomposite use. The aim of this doctoral thesis was to develop mathematical models describing mechanisms and kinetics of silver nanoparticle and/or ion release from nanocomposite Ag/alginate hydrogels designed to achieve antimicrobial activity in different applications. The focus was on Ag/alginate hydrogels with electrochemically synthesized silver nanoparticles for potential applications in medicine, as well as on development and characterization of composite polymer films containing Ag/alginate microbeads with silver nanoparticles synthesized by a hydrothermal method for applications in food packaging. Utilization of both synthesis methods in Na-alginate solutions resulted in spherical silver nanoparticles in the size range 4 – 30 nm yielding stable Ag/alginate colloid solutions. The solutions were suitable for production of hydrogels in different forms such as discs produced by decanting and gelation as well as microbeads obtained by electrostatic extrusion. Hydrogels with electrochemically synthesized silver nanoparticles were investigated next regarding the release kinetics of silver nanoparticles and/or ions under different hydrodynamic conditions relevant for medical applications. Static conditions and a direct contact of a nanocomposite and an alginate hydrogel were set to mimic wound dressings and implants in nonvascularized tissues v while the studies under continuous fluid perfusion imitated implants in vascularized tissue sites. In addition, the experiments were performed in water and physiological saline solution as a model of biological fluids. Based on the experimental results mathematical models were derived, which included diffusion of nanoparticles within the alginate hydrogel, nanoparticle oxidation and reaction with chloride ions present in the saline solution, and finally, diffusion of formed AgClx (x-1)- species...