Hydrogels as Drug Delivery System in Dental Applications by Photocrosslinking with Visible Light
Over the past few decades, advances in hydrogel technologies have spurred development in many biomedical applications e.g. controlled drug delivery for proteins. Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) is one of the most frequently synthetic polymers which are used in biomedical applications. Biocompatibility and biodegradability of that polymer have been proven by many published reports. In this work, dextran and hydroxyethyl starch have been used as important starting polymer materials for developing new hydrogels by modification with HEMA as drug delivery system hydrogels. The degree of substitution (DS) of synthesized polymers was controlled during the coupling reaction in the polymer synthesis stage. Equilibrium swelling behavior of the gels was studied as one of the widely used methods to determine the average molecular weight between two adjacent crosslinks (Mc), the crosslinking density (Px), and the mesh size (?) of the hydrogel network. HES-HEMA, Dex-HEMA and HES-PEGMA hydrogels were successfully synthesized by in-situ hydrogelation via photocrosslinking based on visible light-irradiation, to avoid the risks which are arising from photocrosslinking by the use of UV-irradiation. The visible-light crosslinking method which is used in this study so far is mainly used in dentistry. However, the absorption wavelength of the photosensitizer and its efficiency has to be taken into account in the crosslinking process. Therefore, camphorquinone (CQ) was used in this study as a common photosensitizer in visible-light initiating system. In order to improve the insufficient mechanical properties of virgin hydrogels; nano-filler clays were introduced into the hydrogels particularly montmorillonite and Laponite-RD as model of natural and synthetic clays respectively. Additionally, hydroxyapatite nanoparticles have been investigated as biodegradable nanoparticles. The interactions between nanocomposite materials and polymer networks were evaluated by FTIR and XRD analysis. To overcome the poor solubility of CQ in water, carboxylated-camphorquinone (CQCOOH) was prepared. CQCOOH-amine-DPIC was evaluated to establish an innovative photoinitiating system, in terms of the crosslinking efficiency and the mechanical properties of the prepared hydrogels. HES-HEMA hydrogel which was crosslinked with CQCOOH-amine-DPIC system showed a very fast gelation time (~5 Sec.), more efficient crosslinking and more mechanically stable hydrogel than that was crosslinked with CQ-amine-DPIC. The biocompatibility of polymers and the components of photoinitiating system have been evaluated by MTT-assay using HGF cells. Photoinitiating system components e.g. CQCOOH, NPG, and L-arginine showed no toxic effect on HGF cell viability even in high concentrations.
In den letzten Dekaden haben Fortschritte in der Hydrogel-Technologie die Entwicklung in vielen biomedizinischen Anwendungen z.B. der kontrollierten Wirkstofffreisetzung von Proteinen angeregt. Poly(2-hyroxyethylmethacrylat) (PHEMA) ist eines der am Häufigsten verwendeten synthetischen Polymere für biomedizinische Anwendungen. Die Biokompatibilität und die Bioabbaubarkeit dieses Polymers wurden vielfach untersucht und belegt. In dieser Arbeit wurden Dextran und Hydroxyethylstärke als Ausgangsmaterialien für die Modifikation von HEMA verwendet, um neue Hydrogele für die Wirkstofffreisetzung zu entwickeln. Der Substitutionsgrad (DS) der synthetisierten Polymere wurde kontrolliert. Das Gleichgewichtsquellungsverhalten der Gele wurde untersucht, um das durchschnittliche Molekulargewicht zwischen zwei benachbarten Verknüpfungspunkten (Mc), die Verknüpfungsdichte (Px) und die Maschengröße (ξ) des Hydrogelnetzwerkes zu bestimmen. HES-HEMA-, Dex-HEMA- und HES-PEGMA-Hydrogele wurden durch in-situ Hydrogelierung über Photovernetzung mit sichtbarem Licht erfolgreich hergestellt. Das sichtbare Licht wurde verwendet, um die Risiken, die durch eine Photovernetzung mit UV-Strahlung entstehen, zu vermeiden. Die Vernetzung mit Hilfe von sichtbarem Licht wird derzeit hauptsächlich in der Zahnmedizin angewendet. Die Wellenlänge der Absorptionsbande des verwendeten Photosensibilisators und seine Effizienz müssen beim Vernetzungsprozess beachtet werden. Deshalb wurde in dieser Arbeit Campherchinon (CQ), ein gebräuchlicher Photosensibilisator in Initiierungssystemen mit sichtbarem Licht verwendet. Untersuchungen zur Struktur der Oberfläche und des inneren der Hydrogele wurden mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Für die Probenpräparation wurde eine spezielle kryofixation/kryobruch-Technik verwendet. Um die ungenügenden mechanischen Eigenschaften der reinen Hydrogele zu verbessern wurden Füllstoffe verwendet. Es wurden Tonmineralien in die Hydrogele eingemischt: Montmorillonit als Modellsubstanz für natürlichen Ton und Laponit-RD für synthetischen Ton. Die Nanostruktur der HES-HEMA/MMT Nanokomposithydrogele wurde mit Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) untersucht und so der Schichtabstand zwischen den Silikaschichten des Tonminerals abgeschätzt. Um Campherchinon wasserlöslich zu machen, wurde carboxyliertes Campherchinon (CQCOOH) hergestellt. Das System CQCOOH-Amin-DPIC wurde als innovatives Photoinitiierungssystem, in Hinblick auf die Vernetzungseffiziens und die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Hydrogele, entwickelt: HES-HEMA Hydrogele, die mit dem System CQCOOH-Amin-DPIC vernetzt wurden zeigen eine schnelle Gelierung (~ 5 Sek.), eine höhere Vernetzungseffiziens und bessere mechanische Stabilität als Hydrogele, die mit dem System CQ-Amin-DPIC vernetzt wurden. Die Biokompatibilität der Polymere und der Komponenten des Photoinitiierungssystems wurden mit einem MTT-Assay unter Verwendung von HGF-Zellen durchgeführt. Die Komponenten CQCOOH, NPG und L-Arginin zeigten keine Toxizität auf Zellen und dies auch bei hohen Konzentrationen.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
All rights reserved