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Revista Ingeniería Biomédica

versión impresa ISSN 1909-9762versión On-line ISSN 1909-9991

Rev. ing. biomed. vol.12 no.23 Medellín ene./jun. 2018

https://doi.org/10.24050/19099762.n23.2018.806 

Artículos originales

Caracterización de matrices de Polivinil alcohol-Alginato-Quitosano-Aloe vera

Characterization of Polyvinyl Alcohol-Alginate-Chitosan-Aloe Vera Matrix

Caracterização da Matriz de Polivinil Álcool-Alginato-Quitosana-Aloe Vera

Luisa Fernanda Gómez-Chabala1 

Martha Elena Londoño-López1 

Claudia Elena Echeverri-Cuartas1  * 

1 Universidad EIA. Envigado, Colombia


Resumen

El objetivo de este trabajo fue obtener un sistema que pueda ser usado para conservar de manera localizada en una herida dérmica las propiedades cicatrizantes y refrescantes del Aloe Vera usado en la medicina tradicional, integrando dicho principio activo en una matriz polimérica compuesta por alginato, quitosano y alcohol polivinílico (PVA), los cuales en conjunto poseen propiedades de resistencia mecánica, biodegradabilildad y biocompatibilidad, necesarios para este tipo de aplicación. Para llevar a cabo esta investigación, se evaluó la morfología, grupos funcionales, propiedades mecánicas y cinética de liberación de las muestras. Cada una de las matrices evidenciaron una morfología con poros interconectados y estabilidad mecánica. La liberación de Aloe vera desde la matriz de PVA-alginato-quitosano tuvo un comportamiento no fickiano, mientras la de alginato-quitosano siguió un comportamiento más cercano al fickiano. Las matrices de PVA-quitosano-alginato y alginato- quitosano por sus características, mecánicas, morfológicas de poros definidos e interconectados, y de cinética de liberación representan buenos modelos para ser tenidos en cuenta como sistemas de liberación controlada de medicamentos.

Palabras clave: PVA; alginato; quitosano; Aloe vera gel; apósito

Abstract

The purpose of this work was to obtain polymeric systems from Polyvinyl Alcohol (PVA), alginate and chitosan as possible matrix to encapsulate Aloe vera gel, seeking to integrate mechanical strength, biodegradability and biocompatibility of these polymers. In addition, Aloe vera gives the polymer matrix healing and emollient properties.

Morphology, functional groups, mechanical properties and kinetic release behavior of the samples were evaluated. The matrices showed a morphology with interconnected pores and mechanical stability. The release of Aloe vera from the matrix of PVA-alginate-chitosan exhibited a non Fickian behavior, while alginate-chitosan presented a closer to Fickian behavior. PVA-chitosan-alginate and chitosan matrices, by their mechanical, morphological and interconnected and well defined pores, and alginate-release kinetics properties, represent good models to be taken into account as systems of controlled drug release.

Keywords: Aloe vera gel; alginate; wound dressing; chitosan; PVA

Resumo

O objetivo deste trabalho foi obter sistemas poliméricos a partir de Polivinil Álcool (PVA), alginato e quitosana como possíveis matrizes para encapsular o gel de Aloe vera, buscando integrar resistência mecânica, biodegradabilidade e biocompatibilidade desses polímeros. Além disso, a Aloe vera confere propriedades de cura e emoliência à matriz polimérica.

Morfologia, grupos funcionais, propriedades mecânicas e comportamento de liberação cinética das amostras foram avaliados. As matrizes mostraram uma morfologia com poros interconectados e estabilidade mecânica. A liberação de Aloe vera a partir da matriz de PVA-alginato-quitosana exibiu um comportamento não Fickiano, enquanto alginato-quitosana apresentou um comportamento mais próximo ao Fickiano. As matrizes PVA-quitosana-alginato e quitosana, por seus poros mecânicos, morfológicos e interconectados e bem definidos, e as propriedades cinéticas de liberação de alginato, representam bons modelos a serem considerados como sistemas de liberação controlada do fármaco.

Palavras-chave: Gel de Aloe vera; alginato; curativo; quitosana; PVA

I. INTRODUCCIÓN

El Aloe vera comúnmente conocido como sábila, Aloe de Barbados o Aloe de Curazao, es una planta del trópico perteneciente a la familia de la Liliaceae. Por sus propiedades humectantes, analgésicas, antinflamatorias, inhibidoras del dolor, bactericidas, antifúngicas, antivirales y cicatrizantes, se ha usado por años en la medicina tradicional [1]. Las propiedades curativas del Aloe vera gel han sido atribuidas a la presencia de un amplio grupo de polisacáridos, tales como: celulosa, hemicelulosa, manosa, glucomanano y acemanano; siendo este último compuesto el más predominante y el principal responsable de las propiedades cicatrizantes del gel [2]-[4] a mucilaginous gel extracted from the filets was also characterised. Extraction with ethanol of lyophilised Aloe fractions (AIRs.

El quitosano es un polímero aislado del caparazón de los crustáceos y se ha estudiado para el desarrollo de apósitos, ya que es un material biodegradable, biocompatible y antibacteriano [5]-[7]. Al igual que el quitosano, el alginato es un polímero natural, aislado de las algas pardas, biocompatible y biodegradable, por esta razón es empleado en aplicaciones biomédicas [8], [9]. Por otro lado, el PVA es un polímero sintético que ha despertado gran interés en aplicaciones médicas por su elasticidad y alta capacidad de absorber agua gracias a sus propiedades hidrofílicas [10].

El objetivo de este trabajo es desarrollar una matriz polimérica combinando alginato, quitosano, alcohol polivinil y Aloe vera con el fin de proponer una nueva alternativa para el tratamiento de lesiones dérmicas leves.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Materiales

Se usaron alginato de sodio de algas pardas de baja viscosidad, quitosano de peso molecular medio y PVA 99% grado de hidrólisis con un peso molecular 89 -98 kDa (Sigma-Aldrich) y ácido acético glacial (Chemí).

2.2. Obtención del gel de Aloe vera

Se seleccionaron varias hojas de Aloe vera con una longitud entre 40 y 50 cm; se retiró la corteza obteniendo una lámina de gel, para luego someterlo a un proceso de homogenización y filtración a temperatura ambiente.

2.3. Preparación de las matrices

Las matrices de alginato y quitosano se prepararon a partir de una solución de alginato de sodio al 1% p/v y una solución de quitosano al 1% p/v. Luego, se realizó una mezcla en proporción 1:1 a 40°C, usando agitación a 400 rpm por 1 hora. Para el caso de la matriz de PVA-alginato-quitosano se realizó una mezcla a partir de las soluciones poliméricas de PVA (5% p/v), alginato (1% p/v) y quitosano (1% p/v) en proporciones iguales de cada componente, usando las mismas condiciones descritas previamente. Luego, las mezclas anteriores se sirvieron en cajas de Petri, se congelaron y se liofilizaron por 24 horas. Finalmente, las matrices se sumergieron en el gel de Aloe vera por 24 horas a una temperatura de 4°C.

2.4. Caracterización de las muestras

  1. Espectroscopía con transformada de Fourier (FTIR-ATR)

  2. Se determinó los grupos funcionales de cada una de las muestras liofilizadas empleando un espectrofotómetro FTIR-ATR Perkin Elmer (USA), obteniendo un espectro entre los 4000 y 700 cm-1.

  3. Pruebas mecánicas

  4. Se determinó el módulo de Young de cada una de las matrices liofilizadas mediante ensayo de compresión empleando una máquina de ensayos universales INSTRON 3345 (EE.UU). Se fallaron por cada tratamiento un total de 6 probetas cilíndricas de 14.00 mm de altura y 13.00 mm de diámetro a una rapidez de 15 mm/min, aplicando una carga de 5000 N.

  5. Microscopia electrónica de barrido

  6. Se analizó la microestructura de las muestras empleando microscopía electrónica de barrio, SEM, con un microscopio JEOL JSM 5910 LV a 500X.

  7. Cinética de liberación

  8. Se tomaron muestras de 1.00 cm por 1.00 cm para realizar la cinética de liberación, el ensayo se realizó por triplicado. Cada muestra se sumergió en 40 mL de agua destilada a una temperatura de 37°C y una agitación constante de 300 rpm. Se tomaron 10 mL de solución de cada muestra liofilizadas a los 5 y 15 minutos y luego cada 30 minutos hasta completar 5 horas. Siempre se mantuvo constate el volumen de agua en cada sistema. Se determinó la absorbancia de cada una de las alícuotas empleando un espectrofotómetro UV Lambda 35 Perkin Elmer (EEUU).

III. RESULTADOS Y DISCUSIONES

3.1 Espectroscopia con transforrmada de Fourier (FTIR-ATR)

La identificación de los grupos funcionales característicos en cada uno de los tratamientos, al igual que la formación de nuevos enlaces se determinó mediante la técnica FTIR-ATR. En la Fig. 1 se muestran los espectros de las matrices de alginato-quitosano, PVA-alginato-quitosano (PVA-alg-quit) y del Aloe vera liofilizado. El espectro de la matriz de alginato-quitosano (alg-quit) presenta una banda amplia de OH entre 3100 cm-1 y 3500 cm-1 como resultado de la formación de los enlaces de hidrogeno, dos bandas a 1605 cm-1 y 1408 cm-1 características del estiramiento asimétrico y simétrico del grupo COO- proveniente del alginato de sodio, tres señales a 1149 cm-1, 1027 cm-1 y 893 cm-1 correspondientes al enlace C-O-C [11]. Asimismo, se observó una banda a 1574 cm-1 que ha sido reportada por algunos autores como una señal relacionada con el grupo amino protonado NH3 + proveniente de quito-sano [12].

Para la matriz PVA-alginato-quitosano, se identificó igualmente una banda amplia de OH entre los 3608 cm-1 y 3058 cm-1 como consecuencia de la formación de los enlaces de hidrogeno entre el PVA, alginato y quitsoano [11] , una señal a 2941 cm-1 característica de un enlace CH y una banda a 1635 cm-1 correspondiente un enlace NHCOCH3 del quitosano [13] y dos bandas típicas del alginato a 1603 cm-1 y 1427 cm-1 relacionadas con los estiramientos simétricos y asimétricos del COO -[11]. Igualmente, se observaron señales a 1147 cm-1 y 1093 cm-1 provenientes de un estiramiento C-OH [14] y de un grupo C-O del PVA [13].

En el caso de la muestra de Aloe vera liofilizada, se identificó un bandas a 3381 cm-1 atribuida al grupo OH y una señal 2940 cm-1 relacionado con un estiramiento vibracional de un CH, una banda a 1721 cm-1 probablemente relacionada con los grupos O-acetil éster [15], una señal a 1446 cm-1 y a 1275 cm-1 perteneciente a un COOH y a un grupo C-OH [16].

De acuerdo a los anteriores resultados, la adición del PVA posiblemente puede aumentar la formación de los enlaces de hidrógeno en la mezcla; lo anterior, se evidenció en el ancho de la banda del grupo hidroxilo presente en el espectro del PVA-alginato-quitosano.

Fig 1 Espectros de FTIR de PVA-alginato-quitosano, alginato-quitosano y Aloe vera. 

3.2. Pruebas mecánicas

La piel, al estar expuesta a continuos movimientos, está sometida a fuerzas de tracción y compresión. Por eso, los apósitos deben tener la propiedad de soportar la acción mecánica a la que está sometida la piel. Mediante el ensayo de compresión se determinó el módulo de Young y la resistencia a la compresión de cada una de las muestras.

Como se observa en la Fig. 2, el módulo de Young de la matriz de PVA-alginato-quitosano (PVA-alg-quit) es seis veces superior que el módulo de Young de la matriz de alginato-quitosano (alg-quit). Este comportamiento ocurre igualmente en la resistencia a la compresión; donde la matriz de PVA-alginato-quitosano es tres veces más resistente que la matriz de alginato-quitosano, al ser sometida a una fuerza de compresión de 5000N.

Fig 2 Módulo de Young de las matrices alginato-quitosano (0.12608± 0.00104 MPa) y PVA-alginato-quitosano (0.71538 ± 0.39230 MPa). Resistencia a la compresión de la matriz alginato-quitosano (0.00050 ± 0.00003 MPa) y la matriz PVA-alginato-quitosano (0.0013 ± 0.00040) 

Los resultados anteriores muestran que la adición de PVA a la mezcla de alginato-quitosano favorece la resistencia a la compresión de la matriz y disminuye su flexibilidad. Este comportamiento puede ser explicado, por las interacciones establecidas entre el PVA-alginato y el PVA-quitosano que posiblemente se deba a la formación de puentes de hidrogeno y la presencia de los grupos COO-y OH [10,17].

3.3. Microscopía electrónica de barrido -SEM

La Fig. 3, muestra las micrografías electrónicas de barrido de las matrices de alginato-quitosano y PVA-alginato-quitosano. Se observa un tamaño de poro entre 50 - 200 um de diámetro con porosidad interconectada; estas características facilitan la difusión y movimientos de sustancias, lo cual hace aptos estos sistemas para el proceso de liberación controlada de medicamentos [18].

Fig 3 Primera imagen a la izquierda: SEM de la microestructura de la sección transversal de la matriz de alginato-quitosano. Segunda imagen a la derecha, sección transversal de la matriz de PVA-alginato-quitosano. 

3.4. Cinética de liberación

Para entender el mecanismo de liberación del Aloe vera gel desde una matriz de PVA-alginato-quitosano y alginato-quitosano, se empleó el modelo matemático planteado por Peppas [21]. A partir de esta expresión matemática y la constante de liberación 'propuesta por este modelo, se estableció el comportamiento de liberación del sistema desarrollado.

En la Fig. 4, se muestran los perfiles de liberación de cada uno de los tratamientos. La matriz de PVA-alginato-quitosano libera en los primeros cinco minutos más del 50% del gel como resultado el efecto gatillo. Por el contrario, el sistema de alginato-quitosano libera el 23% del gel y una hora más tarde alcanza a liberar el 60%. Según la información anterior, la matriz de alginato-quitosano puede llegar a proteger el principio activo por más tiempo que si fuera aplicado directamente sobre la herida, debido a la capacidad de suministro del medicamento (Aloe vera gel) al medio de liberación a bajas concentraciones por un periodo de cinco horas.

Fig 4 Perfil de liberación de la matriz de alginato-quitosano (alg-quit) y PVA-alginato-quitosano (PVA-alg-quit) cargada con Aloe vera. 

Para identificar el mecanismo de liberación del Aloe vera gel, se aplicó el modelo de Peppas a cada uno de los sistemas. Según dicho modelo, se analizan los datos en el rango lineal (Mt/M∞ < 0.6) y se determina el exponente que indica el mecanismo mediante el cual ocurre la liberación del principio activo, denominado "n". Para este caso se encontró un n = 0.35, siendo un valor alejado del coeficiente de liberación propuesto por Peppas (n=0.5). Sin embargo algunos autores, por ejemplo Nugent, consideran que un sistema con un n=0.3 puede liberar el principio activo mediante el mecanismo de difusión. Partiendo de lo anterior, se puede asumir que el Aloe vera gel es liberado del sistema mediante un mecanismo de difusión [16,21,22].

En el caso de la matriz de PVA-alginato-quitosano no se puedo determinar por este modelo un mecanismo de liberación. Por esta razón, en el caso de dicha matriz la cinética de liberación puede ser interpretada bajo la siguiente expresión: ln [Mt/Minf] = -0.191 ln (t) + 1.4632 (R2 = 0.8826).

IV. CONCLUSIONES

Se obtuvieron matrices poliméricas a partir de mezclas de alginato 1%(p/v), quitosano al 1%(p/v) con PVA al 5%(p/v), empleando proporciones de 1:1 en la mezcla polimérica. Las matrices alginato-quitosano y PVA-alginato-quitosano, son estables y aptas para la encapsulación del Aloe vera.

Las matrices de alginato, quitosano y PVA, presentan superficies porosas e interconectadas entre sí, lo cual favorece la absorción del Aloe vera gel y un mejor control de la difusión del principio activo, siendo la matriz de alginato-quitosano la más cercana a un apósito deseable para el tratamiento de heridas dérmicas por su cinética de liberación.

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Recibido: 09 de Diciembre de 2015; Aprobado: 29 de Noviembre de 2017

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