Cite this article as:

Zhuravleva Y. Y., Malinkina О. N., Golyadkina A. A., Shipovskaya A. B. Physico-mechanical Properties of Silicon-chitosan-containing Glycerohydrogels Plates Based on Chitosan L- and D-ascorbates. Izvestiya of Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology, 2018, vol. 18, iss. 2, pp. 154-?. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2018-18-2-154-162


Heading: 

Physico-mechanical Properties of Silicon-chitosan-containing Glycerohydrogels Plates Based on Chitosan L- and D-ascorbates

Abstract

Silicon-containing glycerohydrogel thin-film plates based on chitosan L- and D-ascorbates were obtained by means of biomimetic sol-gel synthesis using silicon tetraglycerolate as a biocompatible precursor. Their stress–strain characteristics were studied. For all the samples of our glycerohydrogel plates, stress–strain curves were recorded, characteristic of soft plastic polymeric materials not reaching their yield point under tensile conditions. At rupture, the material shows some characteristic signs of macroscopic plasticity. It is shown that the maximum observed values of physicmechanical parameters depend on the chitosan/precursor ratio. As the latter increases, the tensile strength rises, and the concentration dependences of the relative elongation at break and Young’s modulus show an extreme character. It has been established that our thin-film plates based on chitosan D-ascorbate have higher mechanical strength and elasticity under uniaxial stretching and a lower value of Young’s modulus compared to the plates based on chitosan L-ascorbate. The obtained regularities are discussed from the viewpoint of the chirality influence of chitosan L- and D-ascorbates on the supramolecular ordering of glycerohydrogel structures. A comparison is made of the mechanical properties of the obtained plates with biological tissues and xenomaterials.

References

1. Gibas I., Janik H. Synthetic polymer hydrogels for biomedical applications // J. Chem. and Chem. Techn. 2010. Vol. 4, № 4. Р. 297−304. 

2. Samal S. K., Dash M., Van Vlierberghe S., Kaplan D. L., Chiellini E., Van Blitterswijk С., Moronid L., Dubruel P. Cationic polymers and their therapeutic potential // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41, № 21. P. 7147−7194. 

3. Wu F., Meng G., He J., Wu Y., Wu F., Gu Z. Antibiotic-loaded chitosan hydrogel with superior dual functions : antibacterial effi cacy and osteoblastic cell responses // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 6, № 13. P. 10005−10013. 

4. Smith A. A., Kryger M. B., Wohl B. M., Ruiz-Sanchis P., Zuwala K., Tolstrup M., Zelikin A. N. Macromolecular (pro)drugs in antiviral research // Polym. Chem. 2014. Vol. 5, № 22. P. 6407−6425.

5. Куликов С. Н., Шакирова Д. Р., Тихонов В. Е., Безродных Е. А., Ильина А. В., Левов А. Н., Варламов В. П. Антимикотическая активность хитозана и его производных в отношении Candida albicans // Проблемы мед. микологии. 2012. Т. 14, № 4. С. 50−54.

6. Vasiliev Y. M. Chitosan-based vaccine adjuvants : incomplete characterization complicates preclinical and clinical evaluation // Exp. Rev. Vaccines. 2015. Vol. 14, № 1. P. 37−53.

7. Bonferoni M. C., Sandri G., Dellera E., Rossi S., Ferrari F., Mori M., Caramella C. Ionic polymeric micelles based on chitosan and fatty acids and intended for wound healing. Comparison of linoleic and oleic acid // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2014. Vol. 87, № 1. P. 101−106.

8. Lau H. K., Kiick K. L. Opportunities for multicomponent hybrid hydrogels in biomedical applications // Biomacromol. 2015. Vol. 16, № 1. P. 28−42. 

9. Muzzarelli R. A. A., Tanfani Т. N-permethylation of chitosan and preparation of N-trimethyl iodide // Carbohydr. Polym. 1985. Vol. 5, № 4. P. 297−307. 

10. Pawar S. V., Yadav G. D. PVA/chitosan–glutaraldehyde cross-linked nitrile hydratase as reusable biocatalyst for conversion of nitriles to amides // J. Molec. Catal. B : Enzymatic. 2014. Vol. 101. P. 115−121. 

11. Вихорева Г. А., Шаблыкова Е. А., Кильдеева Н. Р. Модификация хитозановых пленок глутаровым альдегидом с целью регулирования их растворимости и набухания // Хим. волокна. 2001. № 3. С. 38–41. 

12. Il’ina A. V., Varlamov V. P. Chitosan-based polyelectrolyte complexes : a review // Appl. Biochem. Microbiol. 2005. Vol. 41, № 1. P. 5−11. 

13. Shchipunov Yu. A., Karpenko T. Yu., Krekoten A. V., Postnova I. V. Gelling of otherwise nongelable polysaccharides // J. Colloid Interface Sci. 2005. Vol. 287, № 2. P. 373−378. 

14. Spinde K., Kammer M., Freyer K. Ehrlich H., Vournakis J. N., Brunner E. Biomimetic silicifi cation of fi brous chitin from diatoms // Chem. Mater. 2011. Vol. 23, № 11. P. 2973−2978. 

15. Larchenko E. Yu., Shadrina E. V., Khonina T. G., Chupakhin O. N. New hybrid chitosan–silicone containing glycerohydrogels // Mendeleev Commun. 2014. Vol. 4, № 24. P. 201−202. 

16. Chiu C. K., Ferreira J., Luo T. J. M., Geng H., Lin F. C., Ko C. C. Direct scaffolding of biomimetic hydroxyapatitegelatin nanocomposites using aminosilane cross-linker for bone regeneration // J. Mater. Sci. : Mater. Med. 2012. Vol. 23, № 9. P. 2115−2126. 

17. Chae T., Yang H., Leung V., Ko F., Troczynski T. Novel biomimetic hydroxyapatite/alginate nanocomposite fi - brous scaffolds for bone tissue regeneration // J. Mater. Sci. : Mater. Med. 2013. Vol. 24, № 8. P. 1885−1894. 

18. Bian W., Li D., Lian Q., Li X., Zhang W., Wang K., Jin Z. Fabrication of a bio-inspired beta-Tricalcium phosphate/ collagen scaffold based on ceramic stereolithography and gel casting for osteochondral tissue engineering // Rapid Prototyping J. 2012. Vol. 18, № 1. P. 68−80. 

19. Bogdanova E. A., Sabirzyanov N. A., Khonina T. G. Hydroxyapathite gel as a basis for pharmaceutic composites // Glass Phys. Chem. 2011. Vol. 37, № 5. P. 533−536. 

20. Shadrina E. V., Malinkina O.N., Khonina T.G., Shipovskaya A. B., Fomina V. I., Larchenko E. Y., Larionov L. P. Formation and pharmacological activity of siliconchitosan containing glycerohydrogels obtained by biomimetic mineralization // Russ. Chem. B. 2015. Vol. 64, № 7. P. 1633−1639. 

21. Chumlea W. M. C. Silica, a mineral of unknown but emerging health importance // J. Nutr. Health Aging. 2007. Vol. 11, № 2. P. 93. 

22. Shirosaki Y., Okayama T., Tsuru K., Hayakawa S., Osaka A. In vitro bioactivity and MG63 cytocompatibility of chitosan-silicate hybrids // Intern. J. Mater. Chem. 2013. Vol. 3A. P. 1−7. 

23. Roosen J., Spooren J., Binnemans K. Adsorption performance of functionalized chitosan–silica hybrid materials toward rare earths // J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2, № 45. P. 19415−19426. 

24. Budnyak T. M., Pylypchuk I. V., Tertykh V. A., Yanovska E. S., Kolodynska D. Synthesis and adsorption properties of chitosan-silica nanocomposite prepared by sol-gel method // Nanoscale Res. Let. 2015. Vol. 10, № 1. P. 87−97. 

25. Wang D., Romer F., Connell L.S., Walter C., Saiz E., Yue S., Jones J. R. Highly fl exible silica/chitosan hybrid scaffolds with oriented pores for tissue regeneration // J. Mater. Chem. B. 2015. Vol. 3, № 38. P. 7560−7576. 

26. Shipovskaya A. B., Malinkina O. N., Zhuravleva Yu. Yu., Rogacheva, S. M. Synthesis of silicon-containing chitosan hydrogels in a glycolic acid medium // Adv. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 2016. 8 р. Article ID 3951703. 

27. Malinkina O. N., Sobolev A. M., Shipovskaya A. B. Hybrid nanogels based on hydrochloride–ascorbate chitosan derived from a sol-gel biomimetic synthesis // BioNanoSci. 2016. Vol. 6, № 2. P. 157−161. 

28. Gegel N. O., Zhuravleva Yu. Yu., Shipovskaya A. B., Malinkina O. N., Zudina I. V. Infl uence of chitosan ascorbate chirality on the gelation kinetics and properties of siliconchitosan-containing glycerohydrogels // Polym. 2018. Vol. 10, № 3. P. 259−272. 

29. Тарасевич Б. Н. ИК спектры основных классов органических соединений. М. : Справ. материалы, 2012. 55 c. 

30. Шадрина Е. Ю. Синтез и свойства полиолатов кремния и гидрогелей на их основе : автореф. дис. ... канд. хим. наук. Екатеринбург, 2011. 26 с. 

31. Ларченко Е. Ю. Диметилсилиловые эфиры глицерина и их производные. Синтез и свойства : автореф. дис. ... канд. хим. наук. Екатеринбург, 2015. 24 с.

32. Khonina T. G., Safronov A. P., Shadrina E. V., Ivanenko M. V., Suvorova A. I., Chupakhin O. N. Mechanism of structural networking in hydrogels based on silicon and titanium glycerolates // J. Colloid Interface Sci. 2012. Vol. 365, № 1. P. 81−89. 

33. Ларченко Е. Ю., Хонина Т. Г., Шадрина Е. В., Пестов А. В., Чупахин О. Н., Меньшутина Н. В., Чигвинцев С. А. Фармакологически активные гидрогели на основе глицеролатов кремния и хитозана // Изв. АН. Сер. хим. 2014. № 5. С. 1225−1225. 

34. Khonina T. G., Shipovskaya A. B., Shadrina E. V., Malinkina O. N., Zudina I. V. Formation features, properties and biomedical applications of silicon-chitosancontaining glycerohydrogels // Adv. Chem. Res. / ed. James C. Taylor. N.Y. : Nova Sci. Publ., Inc., 2017. Vol. 41.P. 193−226. 

35. Li Q. X., Song B. Z., Yang Z. Q., Fan H. L. Electrolytic conductivity behaviors and solution conformations of chitosan in different acid solutions // Carbohydrate Polym. 2006. Vol. 63, № 2. P. 272–282.

36. Shchipunov Y. A., Karpenko T. Y. Hybrid organic–inorganic nanocomposites fabricated with a novel biocompatible precursor using sol-gel processing // Langmuir. 2004. Vol. 20, № 8. P. 3882–3897. 

37. Wysokowki M., Behm T., Born R., Bazhenov V. V., Meißner H., Richter G., Jesionowski T. Preparation of chitin–silica composites by in vitro silicifi cation of two-dimensional Ianthella basta demosponge chitinous scaffolds under modifi ed Stöber conditions // Mater. Sci. Eng : C. 2013. Vol. 33, № 7. P. 3935−3941. 

38. Петропавловский Г. А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. Л. : Наука. Ленингр. отд-ние, 1988. 298 с. 

39. Бузинова Д. А., Абрамов А. Ю., Шиповская А. Б. Свойства пленок из хитозана разных химических форм // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2011. Т. 11, вып. 2. С. 31–39. 

40. Лохов В. А., Кучумов А. Г., Мерзляков А. Ф., Асташина Н. Б., Ожгихина Е. С., Тропин В. А. Экспериментальное исследование материалов новой конструкции спортивной зубной шины // Рос. журн. биомеханики. 2015. Т. 19, № 4. С. 409−420. 

41. Сиваконь С. В., Митрошин А. Н., Кислов А. И., Абдуллаев А. К., Сретенский С. В., Голядькина А. А., Сиваконь А. С. Исследование биомеханических свойств ксеноперикарда и сухожилий человека // Мед. науки. Теор. мед. 2012. T. 22, № 2. С. 19−24. 

42. Журавлева И. Ю., Карпова Е. В., Кузнецова Е. В., Юношев А. С., Коробейников А. А. Тимченко, Т. П., Горбатых А. В. Клапаносодержащий ксеновенозный кондуит : Terra incognita or tabula rasa? // Сиб. науч. мед. журн. 2016. Т. 36, № 2. С. 90−101. 

43. Griffi n M., Yaami P., Seifalian A., Butler P. E., Szarko M. Biomechanical characterization of human soft tissues using indentation and tensile testing // J. Vis. Exp. 2016. № 118. DOI:10.3791/54872. 

44. Шихвердиев Н. Н., Аверкин И. И., Цобкалло Е. С., Дарвиш Д. М., Кальной П. С., Марченко С. П., Шайдаков М. Е. Механические свойства материалов, применяемых в реконструктивной хирургии сердца // Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2011. № 3. С. 39−43. 

45. Венедиктов А. А. Разработка биоматериалов для реконструктивной хирургии на основе ксеноперикардиальной ткани : автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2013. 26 с. 

46. Nova A., Keten S., Pugno N. M., Redaelli A., Buehler M. J. Molecular and nanostructural mechanisms of deformation, strength and toughness of spider silk fi brils // Nano Lett. 2010. Vol. 10, № 7. P. 2626−2634. 

47. Del Mercato L.L., Maruccio G., Pompa P.P., Bochicchio B., Tamburro A. M., Cingolani R., Rinaldi R. Amyloid-like fi brils in elastin-related polypeptides : structural characterization and elastic properties // BioMacroMol. 2008. Vol. 9, № 3. P. 796−803.

Short text (in English): 
Full text (in Russian):