Crosslinking Trends in Multicomponent Hydrogels for Biomedical Applications

Multicomponent-based hydrogels are well established candidates for biomedical applications. However, certain aspects of multicomponent systems, e.g., crosslinking, structural binding, network formation, proteins/drug incorporation, etc., are challenging aspects to modern biomedical research. The types of crosslinking and network formation are crucial for the effective combination of multiple component systems. The creation of a complex system in the overall structure and the crosslinking efficiency of different polymeric chains in an organized fashion are crucially important, especially when the materials are for biomedical applications. Therefore, the engineering of hydrogel has to be, succinctly understood, carefully formulated, and expertly designed. The different crosslinking methods in use, hydrogen bonding, electrostatic interaction, coordination bonding, and self-assembly. The formations of double, triple, and multiple networks, are well established. A systematic study of the crosslinking mechanisms in multicomponent systems, in terms of the crosslinking types, network formation, intramolecular bonds between different structural units, and their potentials for biomedical applications, is lacking and therefore, these aspects require investigations. To this end, the present review, focuses on the recent advances in areas of the physical, chemical, and enzymatic crosslinking methods that are often, employed for the designing of multicomponent hydrogels

Progress in the drug encapsulation of poly(lactic-co-glycolic acid) and folate-decorated poly(ethylene glycol)-poly(lactic-co-glycolic acid) conjugates for selective cancer treatment

Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) is a US Food and Drug Administration (FDA)-approved polymer used in humans in the forms of resorbable sutures, drug carriers, and bone regeneration materials. Recently, PLGA-based conjugates have been extensively investigated for cancer, which is the second leading cause of death globally. This article presents an account of the literature on PLGA-based conjugates, focusing on their chemistries, biological activity, and functions as targeted drug carriers or sustained drug controllers for common cancers (e.g., breast, prostate, and lung cancers). The preparation and drug encapsulation of PLGA nanoparticles and folate-decorated poly(ethylene glycol)–poly(lactic-co-glycolic acid) (FA–PEG–PLGA) conjugates are discussed, along with several representative examples. Particularly, the reactions used for preparing drug-conjugated PLGA and FA–PEG–PLGA are emphasized, with the associated chemistries involved in the formation of structures and their biocompatibility with internal organs. This review provides a deeper understanding of the constituents and interactions of PLGA-conjugated materials to ensure successful conjugation in PLGA material design and the subsequent biomedical applications

Influence of polyfurfuryl alcohol (PFA) loading on the properties of Nafion composite membranes

Byly připraveny kompozitní membrány na bázi Nafionu s obsahem furfuryl alkoholu (FA) pomocí in situ kysele katalyzované polymerace s cílem zvýšit iontovou vodivost Nafionu. Byla analyzována funkcionalizace, tepelná stabilita, elektrické vlastnosti a mechanická pevnost kompozitů N115-PFA pomocí Fourierovy infračervené spektroskopie (FTIR), spektroskopie zeslabeného úplného odrazu (ATR), malo- a širokoúhlového rentgenového rozptylu (SAXS/WAXS), termogravimetrické analýzy (TGA), elektrochemické impedanční spektroskopie, dynamické sorpce par (DVS) a dynamické mechanické analýzy (DMA). Množství FA ve výsledných kompozitech pozitivně korelovalo s absorpcí vody (Wu), absorpcí vodní páry (Wvu), iontovou vodivostí a termomechanickou stabilitou. Při malém množství polyfurfurylalkoholu membrány vykazovaly větší Wu a zlepšené iontové a elektrické vlastnosti. Dále se také s rostoucím obsahem PFA postupně zlepšovala termomechanická stabilita. Všechny kompozity měly dobře definovanou teplotu skelného přechodu v DMA, která se po opakovaném vystavení FA zvyšovala. Výsledky celkově ukazují, že vyvinuté kompozitní membrány jsou perspektivní pro palivové články s polymerní membránou (PEM).Composite membranes based on Nafion (N115) loaded with furfuryl alcohol (FA) were prepared by in situ acid-catalyzed polymerization technique, with the aim to improve the ionic conductivity of Nafion membranes. The functionalization, thermal stability, electrical properties and mechanical strength of N115-PFA composites was analyzed by means of Fourier transform infrared (FT-IR) attenuated total reflection (ATR) spectroscopy, small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS), thermogravimetric analysis (TGA), electrical impedance spectroscopy, dynamic vapor sorption (DVS) and dynamic mechanical analyser (DMA). The FA loading in the resultant composites had a positive correlation with the water uptake (Wu), water vapor uptake (Wvu), ionic conductivity and thermomechanical stability. At low polyfurfuryl alcohol (PFA) loading, these membranes displayed higher Wu and improved ionic and electrical properties. Further, the thermomechanical stability also gradually increased with the PFA loading. All the composites showed a well-defined glass transition temperature in DMA, which shifted to higher temperature with repeated PFA loading. Overall, the results indicate that the developed composite membrane are promising for low temperature polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells

Structure–stability correlation of copolyimide membranes derived from aliphatic/alicyclic/aromatic diamine and aromatic dianhydrides

Byly syntetizovány nové polyamové kyseliny s periodickou sekvencí monomerních jednotek typu -A-B-A-C- (A je odvozeno od diaminu, B od dianhydridu benzofenon-3,4:3’,4’-tetrakarboxylové kyseliny a C od dianhydridu benzen-1,2,4,5-tetrakarboxylové kyseliny), které byly použity pro přípravu polyimidových membrán. Tyto membrány byly analyzovány různými metodami pro vyšetření vlivu diaminové jednotky (alifatické/alicycklické/aromatické) na morfologii, teplotní stabilitu a mechanické vlastnosti membrán. Maloúhlový a širokoúhlový rentgenový rozptyl a mikroskopie atomárních sil odhalily amorfní charakter všech membrán kromě těch, které obsahují 1,6-diaminohexanovou jednotku. Termogravimetrická analýza ukázala pokles počáteční teploty rozkladu z 551/501 °C na 437/395 °C (v atmosféře N2 resp. O2), když se od aromatických diaminů přejde k diaminům alifatickým. Z dynamické mechanické analýzy vychází poměrně vysoký počáteční elastický modul pružnosti u všech membrán při frekvencích 1, 10 a 20 Hz. Vlastnosti připravených kopolymerních polyimidových membrán jsou perspektivní pro celou řadu potenciálních technologických aplikací.New polyamic acids with -A-B-A-C- type periodic sequence of monomeric units (A derived from a diamine, B from benzophenone-3,30,4,40-tetracarboxylic dianhydride, and C from benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride) are prepared and transformed into polyimide membranes that are examined by various methods in order to investigate the influence of diamine units (aliphatic,alicyclic, or aromatic) on the morphology, thermal stability, and mechanical properties of membranes. Small- and wide-angle X-ray scattering and Atomic force microscopy show amorphous character of all membranes except for those containing hexane-1,6-diamine units. Thermogravimetric analysis reveals a decrease in the initial decomposition emperature from 551/501 °C to 437/395 °C (for N2/O2 atmosphere) when going from membranes with aromatic to those with aliphatic diamine units. Dynamic mechanical analysis shows quite high initial storage modulus (2100–3300 MPa) for all membranes at frequencies of 1, 10, and 20 Hz. The properties of prepared copolymeric polyimide are promising for a wide range of their potential technological applications

Epoxy networks and thermosensitive hydrogels prepared from a,x-diamino terminated polyoxypropylene and polyoxyethylene bis(glycidyl ether)

A series of stoichiometric hydrophilic epoxy networks was prepared by reaction of a,x-diamino terminated polyoxypropylene of average molar mass 430, 2000 and 4000 g/mol with polyoxyethylene bis(glycidyl ether) of average molar mass 526 g/mol. The networks were investigated by dynamic mechanical analysis (DMA) and differential scanning calorimetry (DSC). Single glass transitions observed in the networks strongly suggest that the networks present homogeneous single phase, i.e., polyoxypropylene (POP) and polyoxyethylene (POE) are homogeneously built in the network structure. The homogeneity of the networks is also confirmed by absence of a crystallization of POE. Hydrogels obtained by swelling of the networks in water exhibit a strong dependence of swelling degree on temperature. The temperature sensitivity of the hydrogels increases with growing molar mass of the POP used in the network preparation. The swelling behavior of the hydrogel containing POP of highest molar mass (4000 g/mol) is close to a discontinuity expected at a temperature ca 10 11 ºC.The result was developed within the CENTEM Project, Reg. No. CZ.1.05/2.1.00/03.0088, co-funded by the ERDF as part of the Ministry of Education, Youth and Sports OP RDI programme. The authors appreciate a generous gift of the Jeffamines used in this study, by Huntsman Corporation.Krakovsky, I.; Cortes Cayuela, J.; Sabater I Serra, R.; Salmerón Sánchez, M.; Mohan Dodda, J. (2014). Epoxy networks and thermosensitive hydrogels prepared from a,x-diamino terminated polyoxypropylene and polyoxyethylene bis(glycidyl ether). European Polymer Journal. 55:144-152. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.03.032S1441525

Epoxy networks and hydrogels prepared from a,x-diamino terminated poly(oxypropylene)-b-poly(oxyethylene)-bpoly( oxypropylene) and polyoxypropylene bis(glycidyl ether)

A series of hydrophilic epoxy networks was prepared by reaction of a,x-diamino terminated polyoxypropylene-b-polyoxyethylene-b-polyoxypropylene of average molar mass 2000 g/mol with polyoxypropylene bis(glycidyl ether) of average molar mass 640 g/mol. Absence of microphase separation in the networks at ambient and higher temperatures was proved by differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA). Cooling of the networks to subambient temperatures induces microphase separation via crystallization: the crystallites of polyoxyethylene formed act as a reinforcing filler in the surrounding amorphous network phase. Hydrogels obtained by swelling of the networks in water deswell continuously with increasing temperature. The deswelling becomes less pronounced with increasing POE content and decreasing network density of the epoxy network. In cooling of the hydrogels to low temperatures the main part of water crystallizes. Water crystallites are dispersed in the amorphous network swollen with remaining no-crystallized water. The hydrogels prepared can found applications in sensors and actuators working in aqueous environment.The result was developed within the CENTEM project, reg. no. CZ.1.05/2.1.00/03.0088, co-funded by the ERDF as part of the Ministry of Education, Youth and Sports OP RDI programme. The authors appreciate a generous gift of the Jeffamines used in this study, by Huntsman Corporation. RSS acknowledge the support of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the project MAT2012-38359-C03-01 (including the FEDER financial support).Krakovský, I.; Martínez Haya, R.; Gallego Ferrer, G.; Sabater I Serra, R.; Mohan Dodda, J. (2015). Epoxy networks and hydrogels prepared from a,x-diamino terminated poly(oxypropylene)-b-poly(oxyethylene)-bpoly( oxypropylene) and polyoxypropylene bis(glycidyl ether). European Polymer Journal. 62:19-30. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.11.005S19306

Biokompatibilní hydrogely na bázi chitosanu, celulózy/škrobu, PVA a PEDOT:PSS s vysokou flexibilitou a mechanickou pevností

Příprava mechanicky pevných hydrogelů, které vydrží podmínky ve vnitřních tkáních, je náročný úkol. Navrhli jsme hydrogely založené na vícesložkových systémech, na kombinaci chitosanu, škrobu/celulózy, PVA a PEDOT:PSS prostřednictvím „one-pot“ syntézy. Hydrogely na bázi škrobu byly homogenní, zatímco hydrogely na bázi celulózy vykazovaly přítomnost celulózových mikro- a nanovláken. Hydrogely na bázi celulózy vykazovaly bobtnací poměr mezi 121 a 156 %, zatímco hydrogely na bázi škrobu vykazovaly vyšší hodnoty, od 234 do 280 %. Tahové testy ukázaly, že přítomnost škrobu v hydrogelech poskytuje vysokou flexibilitu (deformace při přetržení > 300 %), zatímco kombinace s celulózou vedla k tvorbě tužších hydrogelů (moduly pružnosti 3,9–6,6 MPa). Mezní pevnost v tahu pro oba typy hydrogelů byla podobná (2,8–3,9 MPa). Adheze a růst lidských buněk SAOS-2 podobných osteoblastům byl vyšší na hydrogelech s celulózou než na hydrogelech se škrobem a byl vyšší na hydrogelech s PEDOT:PSS než na hydrogelech bez tohoto polymeru. Metabolická aktivita buněk kultivovaných po dobu 3 dnů v hydrogelových infuzích ukázala, že se neuvolňovaly žádné akutně toxické sloučeniny. To je slibné pro další možné aplikace těchto hydrogelů v tkáňovém inženýrství nebo v obvazech ran.Fabricating mechanically strong hydrogels that can withstand the conditions in internal tissues is a challenging task. We have designed hydrogels based on multicomponent systems by combining chitosan, starch/cellulose, PVA, and PEDOT:PSS via one-pot synthesis. The starch-based hydrogels were homogeneous, while the cellulose-based hydrogels showed the presence of cellulose micro- and nanofibers. The cellulose-based hydrogels demonstrated a swelling ratio between 121 and 156%, while the starch-based hydrogels showed higher values, from 234 to 280%. Tensile tests indicated that the presence of starch in the hydrogels provided high flexibility (strain at break > 300%), while combination with cellulose led to the formation of stiffer hydrogels (elastic moduli 3.9–6.6 MPa). The ultimate tensile strength for both types of hydrogels was similar (2.8–3.9 MPa). The adhesion and growth of human osteoblast-like SAOS-2 cells was higher on hydrogels with cellulose than on hydrogels with starch, and was higher on hydrogels with PEDOT:PSS than on hydrogels without this polymer. The metabolic activity of cells cultivated for 3 days in the hydrogel infusions indicated that no acutely toxic compounds were released. This is promising for further possible applications of these hydrogels in tissue engineering or in wound dressings

Biokompatibilní hydrogely na bázi chitosanu, celulózy/škrobu, PVA a PEDOT:PSS s vysokou flexibilitou a mechanickou pevností

Příprava mechanicky pevných hydrogelů, které vydrží podmínky ve vnitřních tkáních, je náročný úkol. Navrhli jsme hydrogely založené na vícesložkových systémech, na kombinaci chitosanu, škrobu/celulózy, PVA a PEDOT:PSS prostřednictvím „one-pot“ syntézy. Hydrogely na bázi škrobu byly homogenní, zatímco hydrogely na bázi celulózy vykazovaly přítomnost celulózových mikro- a nanovláken. Hydrogely na bázi celulózy vykazovaly bobtnací poměr mezi 121 a 156 %, zatímco hydrogely na bázi škrobu vykazovaly vyšší hodnoty, od 234 do 280 %. Tahové testy ukázaly, že přítomnost škrobu v hydrogelech poskytuje vysokou flexibilitu (deformace při přetržení > 300 %), zatímco kombinace s celulózou vedla k tvorbě tužších hydrogelů (moduly pružnosti 3,9–6,6 MPa). Mezní pevnost v tahu pro oba typy hydrogelů byla podobná (2,8–3,9 MPa). Adheze a růst lidských buněk SAOS-2 podobných osteoblastům byl vyšší na hydrogelech s celulózou než na hydrogelech se škrobem a byl vyšší na hydrogelech s PEDOT:PSS než na hydrogelech bez tohoto polymeru. Metabolická aktivita buněk kultivovaných po dobu 3 dnů v hydrogelových infuzích ukázala, že se neuvolňovaly žádné akutně toxické sloučeniny. To je slibné pro další možné aplikace těchto hydrogelů v tkáňovém inženýrství nebo v obvazech ran.Fabricating mechanically strong hydrogels that can withstand the conditions in internal tissues is a challenging task. We have designed hydrogels based on multicomponent systems by combining chitosan, starch/cellulose, PVA, and PEDOT:PSS via one-pot synthesis. The starch-based hydrogels were homogeneous, while the cellulose-based hydrogels showed the presence of cellulose micro- and nanofibers. The cellulose-based hydrogels demonstrated a swelling ratio between 121 and 156%, while the starch-based hydrogels showed higher values, from 234 to 280%. Tensile tests indicated that the presence of starch in the hydrogels provided high flexibility (strain at break > 300%), while combination with cellulose led to the formation of stiffer hydrogels (elastic moduli 3.9–6.6 MPa). The ultimate tensile strength for both types of hydrogels was similar (2.8–3.9 MPa). The adhesion and growth of human osteoblast-like SAOS-2 cells was higher on hydrogels with cellulose than on hydrogels with starch, and was higher on hydrogels with PEDOT:PSS than on hydrogels without this polymer. The metabolic activity of cells cultivated for 3 days in the hydrogel infusions indicated that no acutely toxic compounds were released. This is promising for further possible applications of these hydrogels in tissue engineering or in wound dressings

Bioresorbovatelné filmy polykaprolaktonu s příměsí polymléčné či poly(mléčné-ko-glykolové) kyseliny

Nedávné komplikace s použitím polypropylenových síťek pro korekci kýly vedly k vývoji síťek nebo fólií, které byly založeny na resorbovatelných polymerech, jako je polykaprolakton (PCL), kyselina polymléčná (PLA) a kyselina poly(mléčná-ko-glykolová) (PLGA). Tyto materiály jsou schopny vytvořit vhodné bioaktivní prostředí pro růst a vývoj buněk. V tomto výzkumu jsme se zaměřili především na vztahy mezi strukturou, mechanickými vlastnostmi a biokompatibilitou směsí PCL/PLA a PCL/PLGA připravených litím do roztoku. Filmy byly charakterizovány z hlediska chemické struktury, morfologie, fyzikálně-chemických vlastností, cytotoxicity, biokompatibility a růstu buněk. Všechny filmy vykazovaly vysokou pevnost v tahu v rozmezí 9,5 až 11,8 MPa. SAXS ukázal, že i ve směsných filmech byla přítomna lamelární struktura stacků typická pro PCL, zatímco morfologické parametry stacků se mírně lišily podle obsahu PLGA nebo PLA ve směsích. WAXS ukázal přednostní orientaci krystalitů (a tím i lamelárních stacků) ve směsných filmech. Studie in vitro ukázaly, že filmy PCL/PLGA vykazovaly lepší adhezi, šíření a proliferaci buněk než filmy PCL/PLA a PCL. Dále byl zkoumán vliv mísení na degradaci, aby bylo možné pochopit určující proměnnou přípravy, která by mohla zajistit další kontrolu adheze buněk. Výsledky ukázaly, že zkoumané směsné filmy jsou slibnými materiály pro biomedicínské aplikace.Recent complications on the use of polypropylene meshes for hernia repair has led to the development of meshes or films, which were based on resorbable polymers such as polycaprolactone (PCL), polylactic acid (PLA) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). These materials are able to create suitable bioactive environment for the growth and development of cells. In this research, we mainly focused on the relations among structure, mechanical performance and biocompatiblity of PCL/PLA and PCL/PLGA and blends prepared by solution casting. The films were characterized regarding the chemical structure, morphology, physicochemical properties, cytotoxicity, biocompatibility and cell growth. All the films showed high tensile strength ranging from 9.5 to 11.8 MPa. SAXS showed that the lamellar stack structure typical for PCL was present even in the blend films while the morphological parameters of the stacks varied slightly with the content of PLGA or PLA in the blends. WAXS indicated preferential orientation of crystallites (and thus, also the lamellar stacks) in the blend films. In vitro studies revealed that PCL/PLGA films displayed better cell adhesion, spreading and proliferation than PCL/PLA and PCL films. Further the effect of blending on the degradation was investigated, to understand the significant variable within the process that could provide further control of cell adhesion. The results showed that the investigated blend films are promising materials for biomedical applications

Vývoj nanostrukturovaných kožních náplastí směrem k multifunkčním nositelným platformám pro biomedicínské aplikace

Nedávné pokroky v oblasti kožních náplastí podpořily vývoj nositelné a implantovatelné bioelektroniky pro dlouhodobé, nepřetržité řízení zdravotní péče a cílenou terapii. Návrh elektronických náplastí na kůži (e-skin) s roztažitelnými součástmi je však stále náročný a vyžaduje důkladné pochopení vrstvy substrátu připojitelného ke kůži, funkčních biomateriálů a pokročilé elektroniky s vlastním napájením. V tomto obsáhlém přehledu představujeme vývoj kožních náplastí od funkčních nanostrukturních materiálů přes multifunkční a stimulačně reagující náplasti k flexibilním substrátům a novým biomateriálům pro e-kožní náplasti, včetně výběru materiálu, návrhu struktury a slibných aplikací. Diskutovány jsou rovněž natahovací senzory a samonapájecí náplasti na kůži, od elektrické stimulace pro klinické postupy až po nepřetržité monitorování zdraví a integrované systémy pro komplexní řízení zdravotní péče. Integrovaný energetický harvester s bioelektronikou navíc umožňuje výrobu samonapájecích elektronických kožních náplastí, které mohou účinně řešit zásobování energií a překonat nevýhody vyvolané objemnými zařízeními poháněnými bateriemi. Aby však bylo možné plně využít potenciál, který tyto pokroky nabízejí, je třeba vyřešit několik problémů, které se týkají elektronické kožní náplasti příští generace. Na závěr jsou uvedeny budoucí příležitosti a pozitivní výhledy na budoucí směřování bioelektroniky. Předpokládá se, že inovativní návrh materiálů, konstrukční inženýrství a důkladné studium základních principů mohou podpořit rychlý vývoj elektronických kožních náplastí a nakonec umožnit, aby lidstvu prospěly bioelektronické systémy s vlastním napájením v uzavřeném okruhu.Recent advances in the field of skin patches have promoted the development of wearable and implantable bioelectronics for long-term, continuous healthcare management and targeted therapy. However, the design of electronic skin (e-skin) patches with stretchable components is still challenging and requires an in-depth understanding of the skin-attachable substrate layer, functional biomaterials and advanced self-powered electronics. In this comprehensive review, we present the evolution of skin patches from functional nanostructured materials to multi-functional and stimuli-responsive patches towards flexible substrates and emerging biomaterials for e-skin patches, including the material selection, structure design and promising applications. Stretchable sensors and self-powered e-skin patches are also discussed, ranging from electrical stimulation for clinical procedures to continuous health monitoring and integrated systems for comprehensive healthcare management. Moreover, an integrated energy harvester with bioelectronics enables the fabrication of self-powered electronic skin patches, which can effectively solve the energy supply and overcome the drawbacks induced by bulky battery-driven devices. However, to realize the full potential offered by these advancements, several challenges must be addressed for next-generation e-skin patches. Finally, future opportunities and positive outlooks are presented on the future directions of bioelectronics. It is believed that innovative material design, structure engineering, and in-depth study of fundamental principles can foster the rapid evolution of electronic skin patches, and eventually enable self-powered close-looped bioelectronic systems to benefit mankind