Development of nanocellulose-based hydrogels for pharmaceutical and biomedical applications

การพัฒนาไฮโดรเจลที่ใช้นาโนเซลลูโลสสำหรับการใช้งานทางเภสัชกรรมและชีวการแพทย์

Name: Pichapar O-chongpian

LCSH: Nanocellulose

LCSH: Pharmacy

LCSH: Nanogels

LCSH: Biomedical

Abstract: Nanocellulose, derived from plants, is a sustainable material with a nanostructured composition. It exhibits a significant characteristic of high flexibility, biocompatibility, non-toxicity, and biodegradability. Moreover, the desirable properties, including surface area, pore size, and mechanical properties can be modified through various extraction and surface modification techniques applied to nanocellulose. Consequently, it is utilized in various fields, such as engineering, material reinforcement, packaging, drug delivery systems, bioactive compounds, food, pharmaceuticals, and biomedical applications. In this research, cellulose nanofibers were developed and prepared for the fabrication of hydrogels to enhance the properties of the hydrogel in order to achieve the desired characteristics. After that, the evaluation of the hydrogel properties was conducted, including its morphology, mechanical strength and flexibility, gel content, swelling behavior, drug content, in vitro drug release profile and kinetic, biocompatibility study, and antimicrobial activity, which are essential for pharmaceutical and biomedical applications. This is a pathway to enhance value and actively promote environmentally conscious green business management model, thereby facilitating the progress of a sustainable and integrated society. In the first study, hydrogel formulations were fabricated by combining cellulose nanofibers (CNFs, C), low-methoxyl pectin (LMP, P), and sodium alginate (SA, A) at different mass ratios. Subsequently, the hydrogel was crosslinked using 3% w/w calcium chloride (Ca), 0.5 M citric acid (Ci), or a combination of 0.5 M citric acid with 3% w/w calcium chloride (Ca+Ci). The clindamycin hydrochloride was selected as the drug model to determine drug content and in vitro drug release profile and kinetic. Our results indicated that a hydrogel composed of CNFs/LMP/SA at a mass ratio of 2:0.5:0.5, crosslinked with Ca+Ci, exhibited suitable properties and showed biocompatibility with human keratinocyte cells (HaCaT). The hydrogel demonstrated a clindamycin hydrochloride content more than 80%. In vitro drug release data revealed a prolonged release profile, with a cumulative drug release percentage extending up to 3 days. This innovative hydrogel formulation shows potential for pharmaceutical applications as a transdermal drug delivery system, offering prolonged drug release for the treatment of infected wounds. However, in first study, the production of the hydrogel required the incorporation of polyethylene glycol (PEG) to enhance the dispersion of CNFs in water. To produce hydrogels with desired properties, it is necessary to mix it with other polymers. Using only CNFs for hydrogel production presents difficulties and challenges. In the second study, our objective aimed to improve the dispersion of CNFs by conducting oxidative modification on the surface of CNFs. This modification increased the presence of carboxyl groups within the CNF structure, resulting in enhanced dispersion in water. Following the assessment of the physicochemical properties, carboxylated cellulose nanofibers (c-CNFs) were obtained and used in the fabrication of polyhexamethylene biguanide (PHMB) nanocellulose hydrogels through a physical crosslinking technique. These hydrogels have been developed for antimicrobial applications in the pharmaceutical and biomedical fields. The results demonstrated that the 7% c-CNFs-2h formulation, loaded with PHMB, exhibited optimal characteristics in terms of morphology, porosity, mechanical strength, gel content and swelling behavior. Additionally, it retained over 80% of the PHMB drug content. in vitro drug release data indicated a prolonged release pattern up to 3 days. In a noteworthy achievement, this study has successfully formulated a hydrogel using only CNFs. The formulation demonstrated antimicrobial efficacy and excellent potential for pharmaceutical and biomedical applications.

Abstract: เซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ที่สกัดได้จากพืช เป็นวัสดุยั่งยืนที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมตร มีคุณสมบัติที่สำคัญ คือ มีความยืดหยุ่นสูง สามารถเข้ากันได้กับร่างกาย ไม่เป็นพิษ และสลายได้ในธรรมชาติ อีกทั้งสามารถปรับปรุงให้ได้คุณสมบัติตามความต้องการได้ เช่น พื้นที่ผิว ขนาดรูพรุน และคุณสมบัติเชิงกลที่แตกต่างกันไปตามวิธีการสกัดและการปรับปรุงพื้นผิวของนาโนเซลลูโลส จึงทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย ทั้งด้านวิศวกรรม ด้านวัสดุเสริมแรง ด้านบรรจุภัณฑ์ ด้านระบบนำส่งยาหรือสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ ด้านอาหารและเวชภัณฑ์ และด้านชีวการแพทย์ เป็นต้น งานวิจัยนี้จึงนำเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์มาพัฒนาและเตรียมเป็นไฮโดรเจล เพื่อช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของไฮโดรเจลให้ได้ตามที่ต้องการ หลังจากนั้นประเมินคุณสมบัติของไฮโดรเจลในด้านต่างๆ เช่น ศึกษาสัณฐานวิทยาและโครงสร้างของไฮโดรเจล ความแข็งแรงทางกลและความยืดหยุ่น ปริมาณเจล การพองตัว ปริมาณการกักเก็บตัวยาสำคัญ รูปแบบการปลดปล่อยตัวยาในหลอดทดลองศึกษาความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเนื้อเยื่อร่างกาย และประสิทธิภาพการต้านเชื้อแบคทีเรีย เพื่อประยุกต์ใช้งานทางเภสัชกรรม และชีวการแพทย์ ซึ่งเป็นแนวทางในการเพิ่มมูลค่าและนับเป็นการส่งเสริมธุรกิจสีเขียวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อสังคมบูรณาการที่ยั่งยืน โดยการศึกษาแรกผู้วิจัยพัฒนาไฮโดรเจล จากเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ (CNFs, C) ผสมกับเพกตินที่มีเมทอกซิลต่ำ (LMP, P) และโซเดียมอัลจิเนต (SA, A) ในอัตราส่วนมวลต่างๆ โดยใช้แคลเซียมคลอไรด์ (Ca) ความเข้มข้น3% w/w หรือ กรดซิตริก (Ci) ความเข้มข้น 0.5โมลาร์ หรือกรดซิตริกความเข้มข้น 0.5โมลาร์ที่มี แคลเซียมคลอไรด์ (Ca+Ci) ความเข้มข้น 3% w/w เป็นสารเชื่อมขวาง และเลือกกักเก็บตัวยาคลินดามัยซิน ไฮโดรคลอไรด์ เป็นยาต้นแบบเพื่อใช้ในการตรวจสอบปริมาณยาที่กักเก็บได้ และรูปแบบการปลดปล่อยยาในหลอดทดลอง ซึ่งในการศึกษานี้พบว่า ไฮโดรเจลที่มีองค์ประกอบของ CNFs/LMP/SA ที่อัตราส่วนมวล 2:0.5:0.5 ใช้ Ca+Ci เป็นสารเชื่อมขวางมีคุณสมบัติเหมาะสม มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเซลล์เคราติโนไซต์ของมนุษย์ (HaCaT) สามารถกักเก็บปริมาณยาคลินดามัยซิน ไฮโดรคลอไรด์ ได้มากกว่า 80% อีกทั้งข้อมูลการปลดปล่อยยาในหลอดทดลอง แสดงให้เห็นว่าเปอร์เซ็นต์การปลดปล่อยยาสะสมเป็นรูปแบบการปลดปล่อยยานานถึง 3 วัน ซึ่งได้รับการพัฒนาสำเร็จเป็นครั้งแรกและมีศักยภาพนำไปใช้งานทางเภสัชกรรมโดยเป็นระบบปลดปล่อยยาระยะเวลานานในการนำส่งยาทางผิวหนังเพื่อรักษาบาดแผลที่ติดเชื้อ อย่างไรก็ตามในการศึกษาที่ 1 การผลิตไฮโดรเจลต้องใส่พอลิเอทิลีนไกลคอล (PEG) เข้าไป เพื่อช่วยเพิ่มการกระจายตัวของ CNFs ในน้ำ อีกทั้งต้องผสมกับพอลิเมอร์ชนิดอื่นๆ เพื่อผลิตไฮโดรเจลตามคุณสมบัติที่ต้องการ จึงเป็นที่น่าสังเกตว่าการใช้ CNFs เพียงอย่างเดียวสำหรับการผลิตไฮโดรเจลเป็นเรื่องที่ยากและท้าทาย ดังนั้นการศึกษาที่ 2 ผู้วิจัยจึงปรับปรุงการกระจายตัวของ CNFs ผ่านการดัดแปลงพื้นผิวของ CNFs ด้วยวิธีออกซิเดชัน ซึ่งจะเพิ่มหมู่คาร์บอกซิล (carboxyl groups) ในโครงสร้างของ CNFs ทำให้กระจายตัวในน้ำดีขึ้น หลังจากนั้นประเมินคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ เพื่อให้ได้คาร์บอกซิเลต เซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ (c-CNFs) ที่เหมาะสม แล้วนำมาผลิตเป็นนาโนเซลลูโลสไฮโดรเจลที่บรรจุด้วยตัวยาพอลิเฮกซะเมทิลลีนไบกวาไนด์ (PHMB) โดยใช้เทคนิคการเชื่อมขวางทางกายภาพสำหรับการใช้งานต้านเชื้อแบคทีเรียทางเภสัชกรรมและชีวการแพทย์ ผลการวิจัยพบว่าสูตรตำรับ 7% c-CNFs-2h ที่บรรจุตัวยา PHMB แสดงคุณสมบัติที่เหมาะสมทั้งในด้านลักษณะสัณฐานวิทยา, ความพรุน, ความแข็งแรงทางกล, ปริมาณเจล และการพองตัว นอกจากนี้สามารถกักเก็บปริมาณยา PHMB ได้มากกว่า 80% อีกทั้งข้อมูลการปลดปล่อยยาในหลอดทดลอง แสดงให้เห็นว่าเปอร์เซ็นต์การปลดปล่อยยาสะสมเป็นรูปแบบการปลดปล่อยยานานถึง 3 วัน ซึ่งงานวิจัยนี้พัฒนาตำรับที่ใช้ CNFs เพียงอย่างเดียวสำหรับการผลิตไฮโดรเจลสำเร็จเป็นครั้งแรก มีประสิทธิภาพในการต้านเชื้อแบคทีเรียและมีศักยภาพนำไปใช้งานทางเภสัชกรรมและชีวการแพทย์

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Pensak Jantrawut

Role: Advisor

Name: Mingkwan Na Takuathung

Role: Advisor

Name: Pornchai Rachtanapun

Role: Advisor

Created: 2023

Modified: 2024-01-06

Issued: 2023-10-21

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

Level: Doctoral Degree

Descipline: Pharmacy

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	641051007.pdf	548.5 KB	4	2024-07-11 13:47:02

ใช้เวลา

0.032904 วินาที