Comportamento di rilascio e attività antibatterica di chitosano / miscele di alginato con aloe vera e nanoparticelle d'argento [2017]

Oggi voglio proporti la traduzione della ricerca dal titolo "Release Behavior and Antibacterial Activity of Chitosan/Alginate Blends with Aloe vera and Silver Nanoparticles”.

Una ricerca pubblicata sia sul sito ufficiale dello IASC, sia sullo US National Library of Medicine.

Lo studio è stato condotto da:

  • · Luisa Fernanda Gómez Chabala (Gruppo di ricerca Scienze universitarie farmaceutiche CES (ICIF-CES), programma di chimica farmaceutica, Facoltà di scienze e biotecnologie, Università CES, Antioquia, Colombia/Gruppo di ricerca sull'ingegneria biomedica EIA-EIA-CES (GIBEC), Dipartimento di ingegneria biomedica, Campus Las Palmas, Università EIA e Università CES, Antioquia, Colombia) 
  • · Claudia Elena Echeverri Cuartas (Gruppo di ricerca sull'ingegneria biomedica EIA-EIA-CES (GIBEC), Dipartimento di ingegneria biomedica, Campus Las Palmas, Università EIA e Università CES, Antioquia, Colombia)
  • Martha Elena Londoño López (Gruppo di ricerca sull'ingegneria biomedica EIA-EIA-CES (GIBEC), Dipartimento di ingegneria biomedica, Campus Las Palmas, Università EIA e Università CES, Antioquia, Colombia)

Estratto

L'aloe vera è una pianta grassa che da secoli viene impiegata per scopi medici, farmaceutici e cosmetici.

È ricca di aminoacidi, enzimi, vitamine e polisaccaridi, responsabili delle sue importanti proprietà terapeutiche.

Incorporare queste proprietà in un film di biopolimeri ottenuto da alginato e chitosano, ha permesso lo sviluppo di una nuova medicazione con capacità antibatterica ed effetti curativi  che vanno ad integrare la capacità antibatterica delle nanoparticelle d'argento con le proprietà curative ed emollienti del gel di Aloe vera.

Tre matrici di alginato-chitosano sono state ottenute con metodi di miscelazione utilizzando diverse proporzioni di alginato, chitosano, gel di Aloe vera e nanoparticelle di argento (AgNps), che sono stati incorporati nel sistema polimerico attraverso metodi di immersione.

Le caratteristiche fisiche, chimiche e antibatteriche sono state valutate in ciascuna matrice. L'interazione tra alginato e chitosano è stata identificata utilizzando la tecnica di spettroscopia infrarossa, la porosità è stata studiata mediante microscopia elettronica a scansione, il grado di gonfiore è stato calcolato in base alla differenza di peso, la capacità di rilascio di gel di aloe vera è stata stimata applicando un modello di farmaco e infine la capacità antibatterica è stata valutata contro Staphylococcus Aureus e Pseudomonas Aeruginosa.

Introduzione

Il trattamento tradizionale per la guarigione delle ferite (lesioni dermatologiche) si è basato sulla garza o sulla medicazione in tessuto. Però, questo tipo di procedure non sono state una buona opzione perché non forniscono condizioni ottimali di umidità, pH e scambio di gas alle ferite.

Al contrario, queste condizioni potrebbero essere un mezzo ottimale per la crescita dei batteri, promuovere un'infezione e rallentare il processo di guarigione delle ferite.

Per ridurre il rischio di infezione, sono stati sviluppati numerosi prodotti con farmaci antimicrobici, come sulfadiazina d'argento, nitrofurazone e altri. La crema di sulfadiazina d'argento tende a essere inutile perché quando la ferita è a diretto contatto con gli ioni d'argento, può causare allergie, pigmentazione della pelle, tossicità e ritardi nel processo di riepitelizzazione del tessuto.

A causa di quanto sopra, i prodotti attivi ottenuti da piante medicinali stanno emergendo come alternative per ridurre questi svantaggi, date le loro proprietà terapeutiche nella guarigione. Uno degli esempi più rappresentativi di questo è l'Aloe vera.

L'aloe vera (Aloe barbadensis Miller) è una pianta nativa dei tropici che appartiene alla famiglia delle Aloeacee. Cresce in terreno arido ed è resistente alle alte temperature.

Da secoli, il gel di Aloe vera è noto per le sue proprietà medicinali, data la sua grande fonte di polisaccaridi, come l'acemannano, il mannano, il galattano, l'acido glucuronico, ecc. Queste miscele di polisaccaridi danno al gel di Aloe vera un potere antinfiammatorio, antitumorale e proprietà immodulatorie e antibatteriche responsabili delle sue proprietà salutistiche.

Negli ultimi anni sono state sviluppate medicazioni in biopolimeri per facilitare l'uso e la fornitura di gel di Aloe vera nelle zone lesionate, essendo alginato e chitosano tra i polimeri più rappresentativi utilizzati, a causa delle loro proprietà.

Il chitosano è un polisaccaride biodegradabile e non tossico, estratto dai molluschi, come gamberetti, granchi, Ganoderma lucidum e aragosta. Inoltre, la presenza del gruppo amminico nella sua struttura chimica conferisce al chitosano le sue proprietà antibatteriche. Per questo motivo, questi sono stati utilizzati nella creazione di sistemi polimerici per applicazioni mediche.

Come il chitosano, l'alginato è un polisaccaride lineare naturale non ramificato a base di copolimero 1,4-legato di acido β-d-mannuronico e residui di acido alfa-guluronico, che possono essere estratti da alghe brune e alcuni batteri come P. aeruginosa.

Questo polimero è stato ampiamente utilizzato nei trattamenti delle ferite, grazie alla sua biocompatibilità, biodegradabilità, idrofilia, non tossicità, non immunogenicità e alla sua proprietà di formare gel e pellicole. Allo stesso modo, le medicazioni alginiche aiutano l'emostasi come parte del processo di guarigione delle ferite e possono innescare i macrofagi umani per produrre il fattore di necrosi tumorale-a (TNF-α) che avvia segnali infiammatori.

Queste caratteristiche alginiche hanno permesso di utilizzarlo come possibile materiale per applicazioni mediche, in particolare nello sviluppo della medicazione con farmaci terapeutici. Il dott. Rezvanian e il suo collega hanno formulato una medicazione di alginato caricata con simvastatina per promuovere la guarigione attraverso il metodo di colatura del solvente. Inoltre, l'alginato è stato usato per incapsulare l'estratto ottenuto dalle piante. Dr. Pereira ha creato un film composto da alginato e gel di Aloe vera attraverso il metodo di fusione con solvente.

A causa delle loro proprietà, questi polimeri sono stati applicati nello sviluppo di nuove medicazioni con proprietà antibatteriche e capacità di rilascio del farmaco. La medicazione per chitosano, miele e gelatina è già stata applicata per la loro capacità antibatterica contro Staphylococcus aureus ed Escherichia coli.

Le medicazioni a doppio strato di alginato sono state create per incapsulare l'ibuprofene e consentire il suo rilascio lento. Sono state esplorate anche medicazioni per ferite fatte con estratti vegetali naturali, come il chitosano e l'aloe vera reticolati con genipina.

L'interazione elettrostatica tra gruppi di ammine protonate di chitosano e gruppi di alginato carbossilato può formare un complesso polielettrolita (PEC). I PEC al chitosano-alginato mantengono le proprietà di ciascun polimero e mostrano cambiamenti nella tendenza al gonfiore, possiedono inoltre resistenza strutturale e stabilità meccanica, che li rendono adatti per diverse applicazioni biomediche, come le medicazioni delle ferite.

Per questo motivo, alcuni ricercatori hanno dedicato i loro studi allo sviluppo della medicazione su base PEC. Sono stati effettuati saggi di equilibrio dell'acqua e controllo di rilascio della sulfadiazina d'argento, trovando che il numero di reazione tra alginato e chitosano può influenzare le proprietà di rigonfiamento e la capacità di rilascio.

Inoltre, questo sistema polimerico presentava attività antibatterica contro Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus con una riduzione del danno cellulare rispetto alla sulfadiazina d'argento.

Inoltre, questo sistema polimerico reticolato PEC è stato sviluppato dal Dr. Wanh L e colleghi creando una medicazione alginato-chitosano (PEC) ottenuto da sospensioni acquose di chitosano e alginato con CaCl2 come reticolante. Il risultato era una matrice sottile, trasparente e flessibile, con una bassa capacità citotossica per sostenere la proliferazione cellulare.

Anche le nanoparticelle d'argento sono state ampiamente utilizzate in campo medico a causa delle loro proprietà biologiche, chimiche, fisiche e della capacità antibatterica, che sono migliorate su scala nanometrica. Sharma ha dimostrato un'eccellente attività antibatterica contro i batteri Gram-negativi e Gram-positivi, con più attività contro i batteri Gram-positivi di una miscela di alginato-chitosano e nanoparticelle di argento.

Allo stesso modo, Montaser e colleghi hanno sviluppato un composito per medicazione delle ferite da alginato, nanoparticelle di argento e nicotinamide con proprietà antibatteriche contro Eschericha coli e Staphylococcus aureus per applicazioni di ustioni diabetiche.

In questo studio, proponiamo di sviluppare un'associazione sinergica con aloe vera, chitosano, alginato e nanoparticelle di argento, al fine di ottenere una medicazione attiva con attività antimicrobica e somministrazione controllata di Aloe vera e nano particelle d’argento.

Discussione e risultati

Spettroscopia ATR-FTIR

La tecnica dell'infrarosso trasformatore di Fourier (ATR-FTIR) è stata utilizzata per identificare i gruppi funzionali presenti e la formazione di possibili interazioni tra i trattamenti di alginato e chitosano selezionati: A (1: 3 Chit 1 / Alg 1) B (1: 3 Chit 1.5 / Alg 1) e C (3: 1 Chit 1 / Alg 1 / B12).

La figura 1 mostra gli spettri delle matrici A, B e C; queste matrici presentavano bande caratteristiche di alginato, come: due bande di ioni carbossilici simmetrici e asimmetrici di stretching (COO-) a 1602 cm-1 e 1424 cm-1 [19], un C-O che si estendeva a 1319 cm-1, un picco di alginato di sodio (Na-O) a 821 cm-1 [12] e due segnali di allungamento antisimmetrico dei legami glicosidici a 1099 cm-1 e 1029 cm-1, che sono anche caratteristici del chitosano.

Allo stesso modo, le bande di assorbimento di OH sono state identificate a 3263 cm-1, così come i segnali di C-H tra 2896 cm-1 e 2907 cm-1. Inoltre, la possibile interazione tra il gruppo carbonilico alginato caricato negativamente e il gruppo ammino chitosano caricato positivamente potrebbe essere associata a una piccola spalla a 1576 cm-1 e all'assenza di picco di amminoacidi a 1560 cm-1.

Inoltre, la matrice C presentava alcune bande di chitosano, come: un picco di C-O che si estendeva a 1031 cm-1, una banda debole di C-N a 1151 cm-1, un segnale di gruppo amminico ( NH3 +) a 1564 cm-1, un segnale di ammide I a 1644 cm-1 e tre bande di ammina primaria che si estende tra 3400 cm-1 e 3200 cm-1.

Inoltre, un segnale di alginato (Na-O) a 818 cm-1. Come nel caso precedente, l'assenza di alcune bande negli spettri dei polimeri miscelati (alginato-chitosano) è associata a una possibile interazione elettrostatica tra polimeri misti.

Analisi SEM

La Figura 2 mostra la superficie e la sezione trasversale delle matrici di controllo (Figura 2a, c, e) e le matrici con gel di Aloe vera e nanoparticelle di argento (Figura 2b, d, f).

Entrambe le matrici mostravano un'elevata distribuzione dei pori e un'elevata porosità come risultato del processo di liofilizzazione e dimensione dei pori compresa tra 50 e 200 μm. Per questo motivo, questi film diventano buoni candidati per l'attaccamento cellulare, in particolare i fibroblasti e una varietà di pori sulla superficie aiutano a trasportare i nutrienti e l'ossigeno.

La tecnica di liofilizzazione consente di ottenere matrici porose poiché l'acqua nel sistema agisce come agente porogenico durante il processo. Le micrografie mostrano anche i pori aperti che consentono di visualizzare i pori al suo interno che indica l'interconnessione che questi pori hanno nella matrice.

Inoltre, l'incorporazione di gel di Aloe vera e di nanoparticelle d'argento nei sistemi polimerici altera la dimensione dei pori, come mostrato in (Figura 2b, d, f). D'altra parte, la matrice C non ha subito alterazioni quando incorporava gel di Aloe vera e nanoparticelle di argento. Tuttavia, confrontando le sezioni trasversali dei tre trattamenti (Figura 2g, h, i), le matrici con proporzioni di alginato più alte (A e B) presentavano pori più larghi e disposti a strati. Nel caso della matrice C, dove il chitosano predominava nella miscela, mostrava pori più stretti, producendo una struttura più compatta.

Per rilevare le nanoparticelle d'argento (AgNpS) nelle superfici esterne delle matrici, è stata eseguita una spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) come mostrato nella figura 3. I risultati hanno riportato la percentuale in peso di ioni argento presenti sulla superficie di ciascuna matrice, riscontrando i seguenti valori: 8,69% A-AV-AgNps, 4,22% B-AV-AgNps e 4,01% C-AV-AgNps, che dimostrano la presenza di nanoparticelle d'argento nelle matrici.

Gonfiore

Le matrici A e B hanno mostrato un alto grado di rigonfiamento rispetto alla matrice C, come presentato nella figura 4. I valori del grado di rigonfiamento delle matrici con alti rapporti di alginato erano compresi tra 1916% e 1864% e la matrice con proporzione elevata di chitosano era 1576%.

La capacità sviluppata dalle matrici per assorbire il gel di Aloe vera è correlata ad alti rapporti di alginato nella soluzione polimerica. Le matrici A e B mostravano pori più larghi. Questa caratteristica può migliorare la capacità di rigonfiamento del gel di Aloe vera. D'altra parte, la matrice C mostrava una bassa capacità di rigonfiamento. Una struttura porosa più stretta crea una struttura più compatta e riduce la sua capacità di assorbimento.

Il gel di Aloe vera offre un mezzo acido che consente la dissociazione del complesso chitosano e alginato. In un mezzo acido, il poliacido viene neutralizzato (ione carbossilato -COO- di alginato), lasciando libero l'ammonio di chitosano (NH3 +) e quindi le cariche positive compaiono nel sistema e producono reciproche repulsioni e insieme all'entrata di acqua provocano gonfiore della matrice.

L'elevata matrice delle proporzioni di chitosano mostrava una bassa capacità di assorbire il gel di Aloe vera. Questo comportamento potrebbe essere correlato al grado di reticolazione del chitosano. Poiché c'è un eccesso di chitosano nella soluzione di polimero, c'è un aumento nel gruppo di ammonio che può interagire con più gruppi carbossilici dell'alginato, generando una maggiore interazione ionica e con conseguente maggiore densità nella membrana diminuendo la sua capacità di assorbimento.

Rilascio

La figura 5 mostra che il rilascio di gel di Aloe vera da ciascuna matrice è stato valutato in acqua distillata per un periodo di 400 minuti. In base ai risultati, le matrici B e C hanno presentato un effetto burst rilasciando rispettivamente il 37% e il 50% della capacità memorizzata.

Trenta minuti dopo, le matrici B e C rilasciavano il 52% e il 50% di gel di Aloe vera. La matrice A mostrava una diminuzione dell'effetto burst nei primi minuti, rilasciando circa il 14% di gel di Aloe vera e due ore dopo un rilascio di circa il 60%.

Questi risultati mostrano che il flusso di gel di Aloe vera erogato dalla matrice A era più lento delle matrici B e C. Questo comportamento potrebbe essere correlato all'eccesso di alginato nella soluzione polimerica. Un aumento della percentuale di alginato rappresenta un maggior numero di ioni di carbossilato disponibili (-COO-) che potrebbero essere protonati durante l'incorporazione del gel di Aloe vera nel sistema polimerico.

Il pH acido del gel di Aloe vera potrebbe neutralizzare il gruppo carbossilato, determinando un gel insolubile in acqua che produce una riduzione del rilascio cinetico. Tuttavia, la matrice con il più alto rapporto chitosano (3: 1 Chi / Alg) ha aumentato il numero di gruppi amminici protonati nel sistema polimerico.

La figura 5 illustra un rapido rilascio di gel di Aloe vera nei primi minuti. Questo comportamento è probabilmente dovuto alla quantità di ioni amminici presenti nella miscela polimerica e alla loro solubilità in un mezzo acido.

Per comprendere il meccanismo di rilascio dalle matrici sviluppate, i dati di rilascio sono stati analizzati seguendo il modello Peppas. Applicando il modello alla matrice A dati, ha scoperto che il valore di rilascio del gel di Aloe vera si adatta bene al modello Peppas, dando un'equazione ln (Mt / Minf) = 0,44 × ln (t) - 2,41 con un R2 = 0,9410 e un esponente di rilascio n = 0.44 (p <0.05).

Il valore dell'esponente di rilascio è vicino all'esponente di diffusione teorico (n = 0.5) (p <0.05) questo risultato indica che il meccanismo di rilascio potrebbe seguire una diffusione di Fickian.

Allo stesso modo, il modello Peppas è stato applicato alle matrici B e C. Si è scoperto che il rilascio di gel di Aloe vera dalla matrice C si adatta bene al modello Peppas con un'equazione ln (Mt / Minf) = 0,26 × ln (t) - 1,55 con a R2 = 0.9316 e un esponente di rilascio n = 0.26 (p <0.05). Nell'altro caso, i dati di rilascio di gel di Aloe vera dalla matrice B hanno mostrato un'equazione ln (Mt / Minf) = 0,10 × ln (t) - 1,08 con un R2 = 0,7691 e un esponente di rilascio n = 0,10 (p <0,05), dimostrando che i dati sono lontani dal modello applicato.

Attività antibatterica

Le matrici A, B e C vuote non mostravano zone di inibizione, il che indicava che la matrice non carica non aveva attività battericida contro S. aureus e P. aeruginosa. Tuttavia, una zona di inibizione è stata identificata quando il gel di Aloe vera, AgNps e Aloe vera gel-AgNps sono stati incorporati in ciascuna matrice.

Tuttavia, le matrici con gel di Aloe vera hanno mostrato un aumento del diametro della zona di inibizione, dove le matrici A-AV e C-AV hanno migliorato la loro capacità antibatterica. Questo aumento della capacità antibatterica della matrice A potrebbe essere collegato all'elevata quantità di gel di Aloe vera assorbito e trasportato dalla matrice, l'elevata quantità di nanoparticelle d'argento presenti nella superficie superiore e la sua capacità di rilascio controllata del gel di Aloe vera, durante 400 min .

D'altra parte, l'elevata capacità antibatterica della matrice C potrebbe essere associata a una maggiore capacità di rilascio di gel di Aloe vera durante i primi minuti e all'elevato rapporto di chitosano (75%) presente nella miscela polimerica, aumentando il contenuto di ioni (NH3 +) che sono responsabili per l'attività antibatterica.

L'aumento dell'attività antibatterica delle matrici caricate con gel di Aloe vera potrebbe essere associato alla presenza di acemannano, antrachinoni e acido salicilico, responsabili delle sue proprietà antibatteriche. Inoltre, le matrici con gel di Aloe vera potrebbero continuare a rilasciare il gel per circa 8 ore, consentendo l'applicazione di questi composti nell'area infetta con Gram (+) per un periodo di tempo più lungo.

Come mostrato nella Figura 6, quando incorporavano AgNps nelle matrici (A-AgNps, B-AgNps e C-AgNps) hanno mostrato una zona di inibizione, che indica che c'era una capacità antibatterica contro S. aureus.

Confrontando queste matrici (A-AgNps, B-AgNps e C-AgNps) con matrici con Aloe vera (C-AV> A-AV> B-AV), i risultati mostrano che non vi erano differenze significative tra le loro zone di inibizione (t-test , livello di confidenza del 95%). Questa capacità antibatterica potrebbe essere correlata ad una sinergia tra l'Aloe vera, le nanoparticelle d'argento e la superficie della matrice polimerica.

Inoltre, per verificare la capacità antibatterica di ciascun trattamento, è stato eseguito un confronto con due controlli: gentamicina e tetraciclina. Trattamenti C-AV-Nps e A-AV-Nps hanno mostrato valori della zona di inibizione vicini al valore della zona di inibizione della tetraciclina. Inoltre, i trattamenti B-AV-Nps hanno mostrato una capacità di inibizione inferiore alla tetraciclina e gli altri due trattamenti (C-AV-Nps e A-AV-Nps).

Confrontando i trattamenti sviluppati con gentamicina, è stato riscontrato che l'inibizione della matrice B-AV-AgNps era approssimativamente vicina alla capacità di inibizione della gentamicina, mentre la matrice C-AV-AgNps e A-AV-AgNps mostrava una capacità inibitoria maggiore della gentamicina e più vicino alla tetraciclina.

La proprietà antibatterica delle matrici valutata contro S. aureus può essere correlata a quattro importanti fattori. Il grado di acetilazione del chitosano, che era tra il 75% e l'85%, fornisce una moderata attività antibatterica nei confronti di S. aureus; la proporzione elevata di chitosano nella miscela di polimeri, induce un aumento dei gruppi (R-NH3 +) nella matrice, promuovendo l'interazione elettrostatica con cariche negative sulla parete cellulare dei batteri che influenzano la permeabilità della membrana causandone la morte.

Il grado di rigonfiamento è correlato alla quantità di gel di Aloe vera assorbita al momento della carica e alle nanoparticelle di argento che hanno la capacità di aderire alla parete cellulare, alterando la permeabilità della membrana e la respirazione cellulare.

Come nel caso precedente, le matrici di controllo venivano utilizzate senza ricarica, trovando che A, B e C non mostravano attività antibatterica contro P. aeruginosa. Inoltre, le matrici caricate con solo gel di Aloe vera non mostravano una zona di inibizione (dati non mostrati).

Questo comportamento potrebbe essere correlato alla bassa capacità del gel di Aloe vera per inibire P. aeruginosa. Tuttavia, incorporando gli AgNps in ciascun trattamento (B-AgNps, C-AgNps e A-AgNps) hanno mostrato una zona di inibizione come mostrato nella soluzione di controllo AgNps. La Figura 7 mostra una dimensione simile della zona di inibizione dei trattamenti (B-AgNps, C-AgNps e A-AgNps) come matrice caricata con AgNps.

La Figura 7 mostra la zona di inibizione delle matrici ricaricate con AgNps e AV-AgNps. Questi risultati mostrano che le matrici con AgNps hanno la stessa proprietà di gentamicina per inibire la crescita dei batteri Gram negativi.

Dai risultati sopra, si potrebbe dire che l'attività antibatterica contro Pseudomonas è dovuta alla presenza delle nanoparticelle piuttosto che all'incorporazione di Aloe vera (p <0,05, livello di confidenza 95%). L'implementazione delle nanoparticelle d'argento su ciascuno dei sistemi genera un effetto battericida contro Gram (-) e fornisce ioni Ag +, che interagiranno con la membrana dei batteri aumentandone la permeabilità e causandone la morte.

Conclusioni

Le matrici di alginato-chitosano caricate con nano particelle d’argento e gel di Aloe vera, hanno mostrato grande capacità di assorbimento del gel di Aloe vera, grazie a una struttura porosa con pori interconnessi che facilita il rilascio del gel.

Ciascuna matrice presentava diverse cinetiche di rilascio a seconda del contenuto di alginato e chitosano, in particolare nella matrice A, in cui il rilascio di gel di Aloe vera presentava un comportamento Fickiano.

La capacità antibatterica delle matrici caricate con Aloe vera e AgNps contro S. aureus e P. aueruginosa è stata dimostrata, che potrebbe essere utilizzata come alternativa alla tetraciclina e alla gentamicina.

La sinergia tra alginato, chitosano, gel di Aloe vera e nano particelle d’argento offre un'alternativa promettente da utilizzare nelle applicazioni antibatteriche. Questo metodo alternativo può aiutare a ridurre gli effetti secondari degli antibiotici comunemente usati nei trattamenti delle ferite, con il vantaggio che le matrici sviluppate promuovono la guarigione delle ferite attraverso le loro caratteristiche chimiche.

PAMELA SANNA

Diploma di Laurea in Naturopatia presso il Centro Studi Ippocrate. Da sempre nel campo dei rimedi naturali utilizzati in modo professionale per la cura della salute e della pelle, studio l'Aloe Vera da più di 15 anni. Visita il mio profilo Linkedin oppure il canale Youtube.