Chitosan–hydroxyapatite composite biomaterials made by a one step co-precipitation method: preparation, characterization and in vivo tests

A series of biocompatible chitosan/hydroxyapatite composites has been synthesized in an aqueous medium from chitosan solution and soluble precursor salts by a one-step coprecipitation method. The composite materials were produced in dense and porous variants. XRD and IR studies have shown that the apatite crystals in the composites have structural characteristics similar to those of crystals in biogenic apatite. A study of in vivo behaviour of the materials was carried out. Cylindrical rods made of the chitosan/ hydroxyapatite composite material were implanted into the tibial bones of rats. After 5, 10, 15 and 24 days of implantation, histological and histo-morphometric analyses of decalcified specimens were undertaken to evaluate their biocompatibility and the possibility to apply them in bone tissue engineering. The calcified specimens were examined by scanning electron microscopy combined with X-ray microanalysis to compare the elemental composition and morphological characteristics of the implant and the bone during integration. Porous specimens were osteoconducting and were replaced in vivo by newly formed bone tissue. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/270

In-vitro evaluation of new chitosan-based materials

Хітозан є перспективним матеріалом для біомедичних застосування через нетоксичність, біодеградацію, біофункціональні біосумісні властивості на додаток до протимікробних властивостей. Ми синтезували ряд нових матеріалів на основі хітозану для кісток, шкіри і заміни твердої мозкової оболонки. Кращий спосіб вибору матеріалів із задовільними властивостями є оцінка на клітинних культурах. Результати показують, що всі матеріали є нетоксичними і і стимулюють секрецію колагену на культурах остеобластів і фібробластів. Але хітозан з високою молекулярною масою (700 кДа) і композиту з хітозану та хітину мають кращу біологічну реакцію.Хитозан является перспективным материалом для биомедицинских применения из нетоксичность, биодеградацию, биофункциональные биосовместимые свойства в дополнение к противомикробным свойствам. Мы синтезировали ряд новых материалов на основе хитозана для костей, кожи и замены твердой мозговой оболочки. Лучший способ выбора материалов с удовлетворительными свойствами является оценка на клеточных культурах. Результаты показывают, что все материалы являются нетоксичными и и стимулируют секрецию коллагена на культурах остеобластов и фибробластов. Но хитозан с высокой молекулярной массой (700 кДа) и композита из хитозана и хитина имеют лучшую биологическую реакцию.The chitosan is a promising material for biomedical application due to nontoxicity, biodegradable, biofunctional, biocompatible properties in addition to having antimicrobial characteristics. We synthesized a series of new one step co-preparation materials based on chitosan for bone, skin and dura mater replacement. The best way to selection materials with satisfactory properties is in-vitro evaluation on cell cultures. Results show that all materials are non-toxic and allow for cells growth and stimulate collagen secretion by the osteoblasts and fibroblasts. But the chitosan with high molecular weight (700 kDa) and chitosan-chitin composite have better biological response

Вивчення структурних та біологічних властивостей нової хітозанової плівки для закриття твердої мозкової оболонки

Objective: to study the structural and biological evaluation of chitin-chitosan based membrane for dura mater replacement.Materials and methods. Chitosan-based films were made out of 3% solution of chitosan for the research. We used 200, 500 and 700 kDa chitosan (deacetylation rate 80–90 %) to produce chitin-chitosan membrane by using solvent evaporation method. For enhancing mechanical properties and reducing the degradation, chitin particles were added to the chitosan solution. Chitosan and chitin ratio was 80/20. The chitin/chitosan solution in Petri dishes was dried out during 3 days at room temperature.To obtain information about the structure of membrane surface and cross-section scanning, electron microscopy was performed.Hydrolytic degradation was studied by pouring into SBF solution. To determine the rate of enzymatic degradation, trypsin solution was used. To determine the mass loss percentage, we measured the sample weight after 7, 14, 21, 30 and 60 days after being in the appropriate solutions.Relative elongation and strength were measured by digital dynamometer to study membranes mechanical properties such as the strength and elasticity. MLO-A5 cells were used to assess biocompatibility of new materials.Results. Macroscopic view of obtained samples has shown their relative transparency with impregnation of chitin particle that elevated over the membrane surface without any diversity between different chitosan molecular weight samples.Due to scanning electron microscopy, principal diversity between the samples of different molecular weight has being seen: rough pore surface at 200 and 500 kDa and flat with minimal roughness surface of 700 kDa membranes. Cross-section of 500 and 700 kDa membranes are dense with no pores, but 200 kDa membrane are sponge like and it can be prediction for fluid sorption and cell migration during healing process.Chitin-chitosan membranes are biocompatible and degrade in aqueous and enzymatic solutions. Due to polysaccharide nature of chitosan and chitin, enzymatic degradation has shown higher trend compare to the hydrolytic ones. 200 kDa membrane degrades faster with final mass loss 83.2 % and completely due to porous structure that allows fluid sorption.Membrane mechanical parameters strongly depend on their structure. 200 kDa membrane has shown 2-fold higher elongation compared to 500 kDa and 3-fold — compared to 700 kDa ones. The compensation of mechanical forces ensured by porous structure is better than in dense ones. Tensile strength was in 2-fold better in 200 kDa membranes than in 500 and 700 kDa ones.Cell culture experiment has shown the better adhesion at the 3rd day for 200 kDa membrane and minimal cell adhesion for 700 kDa membrane, probably due to smooth surface. The reduction rate between all samples and PCT control differ a lot, except for 200 kDa membrane that has the same proliferation rate as TCP.Conclusion. Chitin-chitosan membranes, made from different molecular weight chitosan, are transparent and has appropriate structure for being used as a dura mater substitute. They are biocompatible and degrade in aqueous and enzymatic solutions. Due to porous structure, excellent mechanical properties as well as better cell adhesion and proliferation, 200 kDa chitosan membrane is more applicable for neurosurgical issues.Цель: изучить структурные и биологические свойства пленки на основе хитина и хитозана для замещения твердой мозговой оболочки.Материалы и методы. Для исследования были изготовлены методом растворения и выпаривания хитозановые пленки из 3 % раствора хитозана. Использовали хитозан с молекулярной массой 200, 500 и 700 кДа (степень деацетилирования – 80–90%). Для усиления механических свойств и уменьшения деградации в хитозановый раствор добавляли частички хитина. Соотношение хитозана и хитина – 80:20. Высыхание хитин-хитозанового раствора в чашке Петри происходило при комнатной температуре в течение 3 суток. Для получения информации о структуре поверхности мембраны и поперечного сечения использовали растровую электронную микроскопию. Гидролитическую деградацию изучали путем добавления раствора SBF. Для исследования уровня энзиматической деградации использовали раствор трипсина. Для определения процента потери массы измеряли вес образцов на 7, 14, 21, 30 и 60-е сутки после нахождения в соответствующем растворе. Относительное удлинение и прочность измеряли цифровым динамометром для изучения механических свойств, таких как прочность и эластичность. Для оценки биосовместимости новых материалов использовали клеточную линию MLO-A5.Результаты. Макроскопический вид полученных образцов свидетельствовал об их относительной прозрачности с пропиткой частицами хитина, которые возвышались над поверхностью мембраны без каких-либо отличий между образцами с разной молекулярной массой хитозана.Благодаря растровой электронной микроскопии установлена принципиальная разница между образцами с разной молекулярной массой: грубая пористая поверхность при использовании мембраны из хитозана с молекулярной массой 200 и 500 кДa и гладкая минимально шершавая при применении мембраны из хитозана с молекулярной массой 700 кДa. В поперечном сечении пленка из хитозана с молекулярной массой 500 и 700 кДа плотная без пор, а мембрана из хитозана с молекулярной массой 200 кДа – губчатой, что может быть предпосылкой для сорбции жидкости и миграции клеток в процессе заживления. Хитин-хитозановые пленки биосовместимы и деградируют в водных и ферментативных растворах. Благодаря полисахаридной природе хитозана и хитина наблюдали тенденцию к более быстрой ферментативной деградации по сравнению с гидролитической. Мембрана из хитозана с молекулярной массой 200 кДа быстрее деградирует с конечной потерей массы 83,2%, что обусловлено пористой структурой, которая способствует сорбции воды.Механические параметры мембранв значительной степени зависят от их структуры. Пленка из хитозана с молекулярной массой 200 кДа продемонстрировала в 2 раза большее удлинение по сравнению с мембраной из хитозана с молекулярной массой 500 кДа и в 3 раза большее по сравнению с пленкой из хитозана с молекулярной массой 700 кДа. Пористая структура лучше, чем плотная, обеспечивает усиление механических свойств. Прочность на разрыв была в два раза лучше у мембраны из хитозана с молекулярной массой 200 кДа, чем у пленок из хитозана с молекулярной массой 500 и 700 кДа.Эксперимент на культуре клеток показал лучшую адгезию на 3-и сутки у пленки из хитозана с молекулярной массой 200 кДа и минимальную адгезию клеток у мембраны из хитозана с молекулярной массой 700 кДа, вероятно, из-за гладкой поверхности. Скорость уровня пролиферации у всех образцов по сравнению с контролем ТСР очень отличалась, за исключением мембраны из хитозана с молекулярной массой 200 кДа, которая имеет такую же скорость пролиферации, как и TCP.Выводы. Хитин-хитозановые мембраны, изготовленные из хитозана с разной молекулярной массой, являются прозрачными и имеют соответствующую структуру для использования в качестве заменителя твердой мозговой оболочки. Они биосовместимы и деградируют в водных и ферментативных растворах. Благодаря пористой структуре, отличным механическим свойствам, а также лучшей клеточной адгезии и пролиферации пленка из хитозана с молекулярной массой 200 кДа более пригодна для нейрохирургических вмешательств.Мета: вивчити структурні та біологічні властивості плівки на основі хітину і хітозану для заміщення твердої мозкової оболонки.Матеріали і методи. Для дослідження були виготовлені методом розчинення та випаровування хітозанові плівки з 3% розчину хітозану. Використано хітозан з молекулярною масою 200, 500 та 700 кДа (рівень деацетилювання – 80–90%). Для посилення механічних властивостей та зменшення деградації в хітозановий розчин додавали частинки хітину. Співвідношення хітозану та хітину – 80:20. Висихання хітин-хітозанового розчину в чашці Петрі відбувалося за кімнатної температури впродовж 3 діб. Для отримання даних щодо структури поверхні мембрани та поперечного перерізу використовували растрову електронну мікроскопію. Гідролітичну деградацію вивчали додаванням розчину SBF. Для дослідження рівня ензиматичної деградації використовували розчин трипсину. Для визначення відсотка втрати маси вимірювали вагу зразків на 7, 14, 21, 30 та 60-ту добу після перебування в відповідному розчині. Відносне подовження і міцність вимірювали цифровим динамометром для вивчення механічних властивостей, таких як міцність і еластичність. Для оцінювання біосумісності нових матеріалів використовували клітинну лінію MLO-A5.Результати. Макроскопічний вигляд отриманих зразків свідчив про їх відносну прозорість з просоченням частинками хітину, які здіймалися над поверхнею мембрани без будь-яких відмінностей між зразками з різною молекулярною масою хітозану.Завдяки растровій електронній мікроскопії встановлено принципову різницю між зразками з різною молекулярною масою: груба пориста поверхня при використанні мембрани з хітозану з молекулярною масою 200 та 500 кДa і гладенька мінімально шорстка при застосуванні мембрани з хітозану з молекулярною масою 700 кДa.На поперечному перерізі плівка з хітозану з молекулярною масою 500 і 700 кДа щільна без пор, тоді як мембрана з хітозану з молекулярною масою 200 кДа – губчаста, що може бути передумовою для сорбції рідини і міграції клітин під час процесу загоєння. Хітин-хітозанові плівки є біосумісними та деградують у водних і ферментативних розчинах. Завдяки полісахаридній природі хітозану та хітину спостерігали тенденцію до швидшої ферментативної деградації порівняно з гідролітичною. Мембрана з хітозану з молекулярною масою 200 кДа швидше деградує з кінцевою втратою маси 83,2%, що зумовлено пористою структурою, яка сприяє сорбції рідини.Механічні параметри мембран значною мірою залежать від їх структури. Плівка з хітозану з молекулярною масою 200 кДа продемонструвала вдвічі більше подовження порівняно з мембраною з хітозану з молекулярною масою 500 кДа і тричі більше порівняно з плівкою з хітозану з молекулярною масою 700 кДа. Пориста структура краще, ніж щільна, забезпечує посилення механічних властивостей. Міцність на розрив була вдвічі кращою в мембрани з хітозану з молекулярною масою 200 кДа, ніж у плівок з хітозану з молекулярною масою 500 і 700 кДа.Експеримент на культурі клітин показав кращу адгезію на 3-тю добу у плівки з хітозану з молекулярною масою 200 кДа та мінімальну адгезію клітин у мембрани з хітозану з молекулярною масою 700 кДа, ймовірно, через гладеньку поверхню. Швидкість рівня проліферації в усіх зразків порівняно з контролем ТСР дуже відрізнялася, за винятком мембрани з хітозану з молекулярною масою 200 кДа, яка мала таку саму швидкість проліферації, як і TCP.Висновки. Хітин-хітозанові мембрани, виготовлені з хітозану з різною молекулярною масою, є прозорими і мають відповідну структуру для використання як замінник твердої мозкової оболонки. Вони є біосумісними і деградують у водних та ферментативних розчинах. Завдяки пористій структурі, відмінним механічним властивостям, а також кращій клітинній адгезії та проліферації плівка з хітозану з молекулярною масою 200 кДа більш придатна для нейрохірургічних втручань

Antibacterial Activity of In Situ Prepared Chitosan/Silver Nanoparticles Solution Against Methicillin-Resistant Strains of Staphylococcus aureus

Abstract Background Investigation of new effective drugs against the methicillin-resistant strains of Staphylococcus aureus (MRSA) is an urgent issue of modern medicine. Antiseptics as an alternative of antibiotics are strong, sustained, and active preparations against resistant strains and do not violate microbiocenosis. Materials and Methods The activity of in situ prepared chitosan-Ag nanoparticles (Ag NPs) solution with different component ratio was tested against MRSA isolated from patients. Ag NPs were synthesized via chemical reduction method using green chemistry approach. In order to improve antimicrobial activity and dispersibility of Ag NPs, surface modification of Ag NPs by cetrimonium bromide (CTAB) was performed. Ag NPs and chitosan-Ag NPs solution were characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy, infrared spectroscopy, and spectrophotometric measurements. Results and Conclusions The results of XRD, FTIR, UV–Vis, and TEM measurements confirmed the chemical composition of chitosan and Ag NPs and their high purity. Chitosan-AgNPs solutions have shown their superior antimicrobial efficacy compared to its pure forms. At the same time, in situ preparation of chitosan-Ag NPs solution (chitosan powder 6.0 μg/ml, Ag/CTAB NPs) was not possible due to the precipitation of the components. This result is very promising and may be considered as an effective solution in fighting against drug-resistant bacteria

Експериментальне обґрунтування можливості застосування композитних матеріалів на основі хітозану та фосфатів кальцію для заміщення кісткових дефектів

A number of chitosane/hydroxyl apatite composite materials were synthesized from aqueous solutions of a biopolymer and soluble salts-precursors. The composites were obtained in the dense and porous variants. The examinations conducted by the methods of X-ray diffraction analysis and infrared spectroscopy showed that apatite crystals in the composites had structural characteristics similar to those of biogenic apatite. Cylindrical rods, made of chitosane/hydroxyl apatite composite materials, were experimentally implanted into the tibial bone of linear laboratory rats in vivo. Histological and histomorphological studies for assessing osteoconductivity were performed 5, 10, 15 and 24 days after the implantation. The specimens were examined by the method of scanning electronic microscopy with X-ray microanalysis for comparing the elemental composition and morphological characteristics of the implant and bone during the integration. The results of the tests make it possible to conclude that chitosane/hydroxyl apatite composites are bioinert and biocompatible. The porous specimens also demonstrated satisfactory osteoconductive properties and were experimentally replaced in vivo by a newly formed bone tissue.Проведен синтез ряда хитозан/гидроксилапатитных композитных материалов из водных растворов биополимера и растворимых солей-прекурсоров. Композитные материалы были получены в плотном и пористом вариантах. Проведенные исследования методами рентгенодифракционного анализа и ИК-спектроскопии показали, что кристаллы апатита в композитах обладают структурными характеристиками, близкими к характеристикам биогенного апатита. В экспериментах in vivo в большеберцовую кость линейных лабораторных крыс имплантировали цилиндрические стержни, изготовленные из хитозан/апатитных композитных материалов. На 5, 10, 15 и 24 сутки после имплантации проводили гистологические и гистоморфологические исследования для оценки остеокондуктивности. Образцы исследовали методом растровой электронной микроскопии с рентгеновским микроанализом для сравнения элементного состава и морфологических характеристик имплантата и кости в течение интеграции. По результатам тестов можно заключить, что хитозан/гидроксилапатитные материалы являются биоинертными и биосовместимыми. Пористые образцы показали также удовлетворительные остеокондуктивные свойства, будучи замещены в экспериментах in vivo новосформированной костной тканью.Проведено синтез ряду хітозан/гідроксилапа-титних композитних матеріалів з водних розчинів біополімеру та розчинних солей-прекурсорів. Композитні матеріали було одержано у щільному та пористому варіантах. Проведені дослідження методом рентгенодифракційного аналізу та ІЧ-спектроскопії показали, що кристали апатиту в композитах мають структурні характеристики, близькі до характеристик біогенного апатиту. В експериментах in vivo у великогомілкову кістку лінійних лабораторних щурів імплантували циліндричні стержні, виготовлені з хітозан/апатитних композитних матеріалів. На 5, 10, 15 та 24 добу після імплантації проводили гістологічні та гістоморфологічні дослідження для оцінки остеокондуктивності. Зразки досліджували методом растрової електронної мікроскопії з рентгенівським мікроаналізом для порівняння елементного складу та морфологічних характеристик імплантата й кістки впродовж інтеграції. За результатами тестів можна зробити висновок, що хітозан/гідроксилапатитні матеріали є біоінертними та біосумісними. Пористі зразки показали також задовільні остеокондуктивні властивості, оскільки були заміщені в експериментах in vivo новоутвореною кістковою тканиною

Easily obtained iodine and silver-iodine doped chitosan for medical and other applications

The complex of polysaccharide chitosan with iodide acid was obtained and characterized. The possibility of obtaining iodine preparations in chitosan matrix with enhanced ability of chitosan to retain iodine is suggested. In this study to improve the stability of iodine, novel chitosan iodine complex was prepared by mixing chitosan with HI. Chitosan iodine complex was obtained as a solution, which can be treated to form bulk samples with open porosity and the enhanced ability to retain iodine. Silver-doped materials comprise insoluble silver iodide in amorphous or nanocrystalline form. The anti-bacterial as well as anti-fungal activity assessment of complexes of chitosan and iodine and chitosan and iodine with Ag has shown that chitosan iodide and chitosan iodide with Ag are more effective against fungi

Hemostatic and Tissue Regeneration Performance of Novel Electrospun Chitosan-Based Materials

The application of chitosan (Ch) as a promising biopolymer with hemostatic properties and high biocompatibility is limited due to its prolonged degradation time, which, in turn, slows the repair process. In the present research, we aimed to develop new technologies to reduce the biodegradation time of Ch-based materials for hemostatic application. This study was undertaken to assess the biocompatibility and hemostatic and tissue-regeneration performance of Ch-PEO-copolymer prepared by electrospinning technique. Chitosan electrospinning membranes (ChEsM) were made from Ch and polyethylene oxide (PEO) powders for rich high-porous material with sufficient hemostatic parameters. The structure, porosity, density, antibacterial properties, in vitro degradation and biocompatibility of ChEsM were evaluated and compared to the conventional Ch sponge (ChSp). In addition, the hemostatic and bioactive performance of both materials were examined in vivo, using the liver-bleeding model in rats. A penetrating punch biopsy of the left liver lobe was performed to simulate bleeding from a non-compressible irregular wound. Appropriately shaped ChSp or ChEsM were applied to tissue lesions. Electrospinning allows us to produce high-porous membranes with relevant ChSp degradation and swelling properties. Both materials demonstrated high biocompatibility and hemostatic effectiveness in vitro. However, the antibacterial properties of ChEsM were not as good when compared to the ChSp. In vivo studies confirmed superior ChEsM biocompatibility and sufficient hemostatic performance, with tight interplay with host cells and tissues. The in vivo model showed a higher biodegradation rate of ChEsM and advanced liver repair

Formation of a Bacteriostatic Surface on ZrNb Alloy via Anodization in a Solution Containing Cu Nanoparticles

High strength, excellent corrosion resistance, high biocompatibility, osseointegration ability, and low bacteria adhesion are critical properties of metal implants. Additionally, the implant surface plays a critical role as the cell and bacteria host, and the development of a simultaneously antibacterial and biocompatible implant is still a crucial challenge. Copper nanoparticles (CuNPs) could be a promising alternative to silver in antibacterial surface engineering due to low cell toxicity. In our study, we assessed the biocompatibility and antibacterial properties of a PEO (plasma electrolytic oxidation) coating incorporated with CuNPs (Cu nanoparticles). The structural and chemical parameters of the CuNP and PEO coating were studied with TEM/SEM (Transmission Electron Microscopy/Scanning Electron Microscopy), EDX (Energy-Dispersive X-ray Dpectroscopy), and XRD (X-ray Diffraction) methods. Cell toxicity and bacteria adhesion tests were used to prove the surface safety and antibacterial properties. We can conclude that PEO on a ZrNb alloy in Ca–P solution with CuNPs formed a stable ceramic layer incorporated with Cu nanoparticles. The new surface provided better osteoblast adhesion in all time-points compared with the nontreated metal and showed medium grade antibacterial activities. PEO at 450 V provided better antibacterial properties that are recommended for further investigation