Materials based on crosslinked carboxymethylcellulose modified with silver nanoparticles

Karboksymetyloceluloza (CMC) jest naturalnym polimerem, który ma pożądane z punktu widzenia chemii medycznej właściwości takie jak biokompatybilność, biodegradowalność czy rozpuszczalność w wodzie. Dzięki tym cechom wykazuje ona potencjał wykorzystania ją w medycynie jako opatrunki na rany czy w kontrolowanym dostarczaniu leków. Dodatkową, pożądaną cechą materiału na bazie karboksymetylocelulozy byłoby działanie antybakteryjne. Do tego celu mogą posłużyć nanocząstki srebra (AgNPs). Ponadto, inne modyfikacje jak dodanie kwasu cytrynowego (CA) jako czynnika sieciującego CMC mogłoby zapewnić odpowiednią stabilność i pęczliwość takiego materiały w kontakcie z płynami ustrojowymi. W niniejszej pracy skupiono się na wytworzeniu takiego materiału na bazie sieciowanej karboksymetylocelulozy z nanocząstkami srebra oraz opisaniu jego właściwości fizykochemicznych i działaniu bakteriobójczym. Do syntezy karboksymetylocelulozy z nanocząstkami srebra wykorzystano 4 rodzaje CMC różniące się masą cząsteczkową i stopniem podstawienia, dodatkowo do sieciowania używano kwasu cytrynowego, odpowiadającego jego finalnym stężeniom 10%, 20% i 30% (w/w) względem karboksymetylocelulozy. Synteza nanocząstek srebra była prowadzona z prekursora metalicznego w matrycy CMC. Za pomocą spektroskopii w podczerwieni w podczerwieni potwierdzono sieciowanie polimeru a z użyciem spektroskopii w zakresie ultrafioletu i widzialnym potwierdzono utworzenie się nanocząstek srebra (wystąpienie powierzchniowego rezonansu plazmonicznego przy 405 nm). Badanymi właściwościami otrzymanych hydrożeli była pęczliwość, która określała ilość zaadsorbowanej wody oraz stabilność mechaniczną w środowisku wodnym badanych materiałów. Wykorzystano do próby pęcznienia medium wodne jakim był bufor fosforanowy. Następnie skupiono się na zbadaniu morfologii nanocząstek srebra, czyli kształcie i rozmiarze. Do tego wykorzystano dwie techniki: dynamicznego rozpraszania światła i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, dzięki którym dowiedziono, że większość otrzymanych nanocząstek miała sferyczny kształt, a ich rozmiary osiągały około 10 nm. Do zbadania uwalniania srebra z matrycy hydrożelu wykorzystano technikę absorpcyjnej spektrometrii atomowej. Właściwości mikrobiobójcze otrzymanych hydrożeli zostały sprawdzone testami mikrobiologicznymi z wykorzystaniem dwóch szczepów bakterii: Escherichia coli i OP311. Badane materiały Ag_CMC działały antybakteryjne, co więcej użycie kwasu cytrynowego do sieciowania CMC wzmocniło to działanie i nastąpiła synergia między CA a AgNPs. Takie materiały mają dużą szansę powodzenia w inżynierki tkankowej jako opatrunki czy materiały do regeneracji skóry.

Carboxymethylcellulose (CMC) is a natural polymer that has properties desired from the point of view of medical chemistry such as biocompatibility, biodegradability or solubility in water. Thanks to these features, it has the potential to be used in medicine as dressings for wounds or in controlled drug delivery. An additional, desirable feature of the carboxymethylcellulose-based material would be an antibacterial effect. Silver nanoparticles (AgNPs) can be used for this purpose. In addition, other modifications such as the addition of citric acid (CA) as a CMC crosslinking agent could provide adequate stability and swelling of such materials in contact with body fluids. This work focused on the production of such a material based on crosslinked carboxymethylcellulose with silver nanoparticles and described its physicochemical properties and bactericidal action. For the synthesis of carboxymethylcellulose with silver nanoparticles, 4 types of CMC were used, varying in molecular weight and degree of base, in addition to crosslinking, citric acid was used, corresponding to its final concentrations of 10%, 20% and 30% (w/w) with respect to carboxymethylcellulose. The synthesis of silver nanoparticles was carried out from a metal precursor in a CMC matrix. The crosslinking of the polymer was confirmed by infrared spectroscopy and the formation of silver nanoparticles (surface plasmonic resonance at 405 nm) was confirmed by ultraviolet and visible spectroscopy. The properties of the obtained hydrogels were swell, which determined the amount of water adsorbed and the mechanical stability in the aqueous environment of the tested materials. An aqueous medium such as phosphate buffer was used to try to swell. Next, we focused on investigating the morphology of silver nanoparticles, i.e. their shape and size. For this, two techniques were used: dynamic light scattering and transmission electron microscopy, thanks to which it was proved that most of the nanoparticles obtained were spherical in shape, and their sizes reached about 10 nm. Absorption atomic spectrometry technique was used to investigate the release of silver from the hydrogel matrix. The microbiotic properties of the obtained hydrogels were tested by microbiological tests using two strains of bacteria: Escherichia coli and OP311. The tested Ag_CMC materials had antibacterial effects, moreover, the use of citric acid for CMC crosslinking strengthened this effect and there was a synergy between CA and AgNPs. Such materials have a high chance of success in tissue engineering as dressings or materials for skin regeneration.