Гидрогели на основе белков и полисахаридов являются перспективными биотехнологическими материалами для доставки лекарственных и диагностических препаратов [1]. Это связано с их природным происхождением, сходством структуры и основных физико-химических свойств с межклеточным матриксом живых систем, обеспечивающим их хорошую биосовместимость. Наиболее технологичными являются физические и близкие к ним ионотропные гидрогели, в которых трехмерная полимерная сетка поддерживается механическим переплетением полимерных молекул и/или стабилизирована межмолекулярными взаимодействиями, такими как ионные мостики, водородные связи и гидрофобные взаимодействия.

Гидрогели на основе полисахаридов проявляют оригинальные физико-химические и биотехнологические свойства при доставке лекарств, в тканевой инженерии, в регенеративной медицине, в молекулярной диагностике и терапии [2,3]. Полисахариды из природных источников обладают низкой токсичностью, биосовместимостью и высокой стабильностью в физиологических условиях. Настоящая работа демонстрирует наши результаты по использованию полисахаридных гидрогелей для доставки терапевтических ферментов, витаминов и диагностических маркеров.

В работе использованы два полисахарида. Альгинат натрия - линейный полимер из бурых морских водорослей. Гелеобразование альгината стимулируется двухвалентными катионами при постоянной температуре. Второй полисахарид, κ-каррагинан, линейный анионный полимер, экстрагированный из красных морских водорослей. Эти полисахариды активно используются в тканевой инженерии и доставке фармакологических препаратов. В настоящей работе было проведено комплексное исследование влияния технологических особенностей приготовления гидрогелей на их инкапсулирующие свойства.

Одна из основных технологий, используемых при доставке лекарств, это микроинкапсулирование. Наличие в структуре полисахаридных гидрогелей участков различной полярности позволяют инкапсулировать как гидрофильные, так и гидрофобные целевые биоактивные соединения.

Результаты комплексного исследования структуры и свойств систем на основе полисахаридов для доставки лекарственных и диагностических средств представлены для препаратов различного функционального происхождения, а именно ферментов биназы и липазы, витамина B9 (фолиевая кислота) и бриллиантового зеленого, как модели медицинского контрастного вещества [4]. В докладе представлен краткий обзор данных о структуре полисахаридных гидрогелей, стабилизируемых физическими и ионными связями, рассмотрены методики их приготовления и условия использования.

Установлено, что применение κ-каррагинана и альгината наряду с правильно подобранными условиями создают перспективы получения эффективных материалов для биомедицины. Преимущество применения альгината в качестве объекта для инкапсуляции биологически-активных веществ заключается в мгновенном образовании ионотропных гелей, диспергированных в среде частично структурированного раствора с меньшей концентрацией сшивок, которая влияет на высвобождение этих веществ из гидрогелей. Кроме того, как правило, все материалы, сшитые ионными сшивающими реагентами, проявляют рН-чувствительное набухание и выход лекарственных соединений за счет диффузии через их пористую структуру, что позволяет использовать сконструированные системы для пролонгации действия лекарственного соединения.

Показано, что перспективы успешного биомедицинского применения гидрогелей может сдерживать токсичность сшивающих катионов и присутствие углеродных нанотрубок, используемых для модификации систем доставки и придания им новых свойств.



References:

1. L. Bogdanova, P. Zelenikhin, A. Makarova, O. Zueva, V. Salnikov, Yu. Zuev, O. Ilinskaya. Alginate-based hydrogel as delivery system for therapeutic bacterial RNase. Polymers. 2022, 14, 2461.

2. L.R. Bogdanova, A.M. Rogov, O.S. Zueva, Yu.F. Zuev. Lipase enzymatic microreactor in polysaccharide hydrogel: structure and properties. Russian Chemical Bulletin. 2019, 68, 400-404.

3. L.R. Bogdanova, A.O. Makarova, O.S. Zueva., L.Ya. Zakharova, Yu.F. Zuev. Encapsulation of diagnostic dyes in the polysaccharide matrix modified by carbon nanotubes. Russian Chemical Bulletin. 2020, 69, 590-595.

4. O.N. Makshakova, L.R. Bogdanova, A.O. Makarova, A.M. Kusova, E.A. Ermakova, M.A. Kazantseva, Yu.F. Zuev. k-Carrageenan Hydrogel as a Matrix for Therapeutic Enzyme Immobilization. Polymers. 2022, 14, 4071.

Hydrogels based on proteins and polysaccharides are promising biotechnological materials for delivery of drugs and diagnostic substances [1]. This is due to natural origin, the similarity of structure and basic physical and chemical properties with intercellular matrix of living systems, which ensures their biocompatibility. The most technologically advanced are physical and ionotropic hydrogels, in which the three-dimensional polymer network is maintained by mechanical interweaving of polymer molecules and/or stabilized by intermolecular interactions such as ionic bridges, hydrogen bonds and hydrophobic interactions.

Hydrogels based on polysaccharides exhibit original physicochemical and biotechnological properties in drug delivery, tissue engineering, regenerative medicine, molecular diagnostics and therapy [2,3]. Polysaccharides from natural sources have low toxicity, biocompatibility and high stability under physiological conditions. The present work demonstrates our results on the use of polysaccharide hydrogels for delivery of therapeutic enzymes, vitamins, and diagnostic markers.

Two polysaccharides were used in our work. Sodium alginate is a linear polymer from brown algae. Gelation of alginate is stimulated by divalent cations at a constant temperature. The second polysaccharide, κ-carrageenan, is a linear anionic polymer extracted from red seaweed. These polysaccharides are actively used in tissue engineering and drug delivery. In this work, a comprehensive study of the influence of technological features of hydrogel preparation and their encapsulating properties was carried out.

One of the main technologies used in drug delivery is microencapsulation. The presence of regions with different polarity in the structure of polysaccharide hydrogels makes it possible to encapsulate both hydrophilic and hydrophobic target bioactive compounds.

The results of our comprehensive study on the structure and properties of polysaccharide-based systems for delivery of drug and diagnostic formulations are presented for chemical compaunds of various functional origin, namely, enzymes (binase and lipase), vitamin B9 (folic acid), and brilliant green as a model of medical contrast agent [4]. The report presents a brief review of data on the structure of polysaccharide hydrogels stabilized by physical and ionic bonds, discusses the methods of their preparation and conditions of use.

It has been established that the use of κ-carrageenan and alginate, along with properly selected conditions, creates prospects for obtaining effective materials for biomedicine. The advantage of using alginate as an object for encapsulation of biologically active substances lies in the instantaneous formation of ionotropic gels dispersed in a medium of a partially structured solution with a lower concentration of crosslinks, which affects the release of carried substances from hydrogels. In addition, as a rule, all materials stabilized with ionic crosslinkers exhibit pH-sensitive swelling and release of drug compounds due to diffusion through their porous structure, which allows the use of designed systems to prolong the action of drug compounds.

It has been shown that potential for successful biomedical applications of hydrogels may be hindered by the toxicity of crosslinking cations and the presence of carbon nanotubes (CNTs), used to modify delivery systems and impart new properties to them.



References:

1. L. Bogdanova, P. Zelenikhin, A. Makarova, O. Zueva, V. Salnikov, Yu. Zuev, O. Ilinskaya. Alginate-based hydrogel as delivery system for therapeutic bacterial RNase. Polymers. 2022, 14, 2461.

2. L.R. Bogdanova, A.M. Rogov, O.S. Zueva, Yu.F. Zuev. Lipase enzymatic microreactor in polysaccharide hydrogel: structure and properties. Russian Chemical Bulletin. 2019, 68, 400-404.

3. L.R. Bogdanova, A.O. Makarova, O.S. Zueva., L.Ya. Zakharova, Yu.F. Zuev. Encapsulation of diagnostic dyes in the polysaccharide matrix modified by carbon nanotubes. Russian Chemical Bulletin. 2020, 69, 590-595.

4. O.N. Makshakova, L.R. Bogdanova, A.O. Makarova, A.M. Kusova, E.A. Ermakova, M.A. Kazantseva, Yu.F. Zuev. k-Carrageenan Hydrogel as a Matrix for Therapeutic Enzyme Immobilization. Polymers. 2022, 14, 4071.