• Nie Znaleziono Wyników

Biomedyczne zastosowanie gumy gellan

W dokumencie [2016/Nr 1] Nr 1/2016 (pełna wersja) (Stron 51-54)

Inżynieria tkankowa jest dziedziną nauki łą­

czącą wiedzę medyczną i osiągnięcia inżynierii materiałowej w celu opracowania biomateriałów, które mają za zadanie rekonstrukcję lub poprawę funkcjonowania tkanek. W medycynie regenera­

cyjnej powszechnie stosuje się konstrukcje rusz­

towań tkankowych. W celu ich otrzymania wy­

izolowane, a następnie namnożone w warunkach

in vitro komórki wysiewane są na trójwymiaro­

wym rusztowaniu, najczęściej polimerowym. Ca­

łość umieszczana jest w bioreaktorze, gdzie pa­

nują odpowiednie warunki do hodowli określonej tkanki [40].

Gellan jest często badany jako składnik biomate­

riałów do rekonstrukcji tkanki kostnej i chrzęstnej [3]. Douglas i wsp. opracowali samożelujące kom­

pozyty do wstrzykiwań, mające potencjalne zasto­

sowanie w inżynierii tkanki kostnej. Formulacje zostały otrzymane na bazie gellanu wzbogacone­

go w różnego rodzaju cząstki bioszkła. W zależno­

ści od użytego bioszkła różniły się właściwościami przeciwbakteryjnymi oraz wpływem na różnico­

wanie mezenchymalnych komórek macierzystych szczurów [41].

Z kolei Chang i wsp. otrzymali film na bazie gumy gellan wykazujący właściwości bioabsorben­

tu. W badaniach na szczurach wykazano, że chi­

rurgiczne nałożenie takiego filmu na dwa miesiące na powierzchnię uszkodzonej tkanki kostnej zabez­

pieczało przed niepożądanym narastaniem w tym rejonie tkanki łącznej, a tym samym przyspiesza­

ło regenerację kości. Zastosowany biomateriał cha­

rakteryzował się odpowiednią biodegradowalnością i nie powodował stanu zapalnego w otaczających tkankach [42].

Podejmowane są także próby wykorzystania gumy gellan w regeneracji tkanek chrzęstnych, po­

siadających ograniczoną zdolność do samonaprawy.

Głównym celem prowadzonych badań jest przede wszystkim otrzymanie struktur mogących zastąpić uszkodzoną tkankę lub indukować jej regenerację [43]. Badania Oliveiry i wsp. wykazały, że hydrożele na bazie gumy gellan posiadają odpowiednie właści­

wości lepkosprężyste, zbliżone do naturalnej tkan­

ki. Ponadto eksperymenty in vitro z wykorzysta­

niem ludzkich chondrocytów nosa potwierdziły, że materiały na bazie gellanu można wykorzystać jako rusztowania dla dzielących się komórek. Doświad­

czenia in vivo na królikach, polegające na wstrzyk­

nięciu w miejsce ubytków tkankowych komórek autologicznych na nośniku gellanowym, wykazały, że po 1, 4 i 8 tygodniach implanty nadal pozosta­

wały w miejscu aplikacji. Po 8 tygodniach wszyst­

kie miejsca uszkodzenia tkanki chrzęstnej zostały wypełnione [43–45].

Materiały na bazie gumy gellan są również bada­

ne pod kątem potencjalnego wykorzystania w pro­

dukcji biodegradowalnych filmów antyadhezyjnych stosowanych w leczeniu ran oraz zapobiegających powstawaniu blizn. Skuteczność działania filmów zależy przede wszystkim od obecności ujemnego ła­

dunku na ich powierzchni, który poprzez elektro­

statyczne odpychanie nie dopuszcza do przylegania ujemnie naładowanych komórek. W tym przypad­

ku gellan wydaje się być odpowiednim kandydatem,

głównie dzięki obecności licznych grup karboksy­

lowych. Lee i wsp. otrzymali film antyadhezyjny na bazie gellanu usieciowanego cynamonianem. Jako czynnik sieciujący zostało wykorzystane promie­

niowanie świetlne. Wykazano, że po 16 minutach działania promieni UV stopień sieciowania wyno­

sił ok. 82%. Po wszczepieniu uzyskanego materia­

łu szczurom potwierdzono, że odznacza się on do­

brymi właściwościami antyadhezyjnymi. Ponadto na podstawie wyników badań poziomu neutrofi­

li w płynie otrzewnowym stwierdzono, że dzięki obecności cynamonianu filmy te mogą skutecznie hamować u szczurów stany zapalne narządów we­

wnętrznych [46].

Kolejnym możliwym zastosowaniem gumy gellan jest produkcja nowych wypełnień denty­

stycznych. Zachowanie zębodołów po ekstrak­

cji zębów ma kluczowe znaczenie dla możliwości stosowania implantów i protez zębowych. Obec­

nie jednym z częściej stosowanych wypełnień sto­

matologicznych jest Teruplug® (Olympus Teru-mo Biomaterials Corp.) otrzymywany z włókien kolagenowych (rycina 4). Charakteryzuje się on plastycznością, dobrą biokompatybilnością i wła­

ściwościami hemostatycznymi, jednak posiada ni­

ską odporność mechaniczną oraz szybko rozkłada się pod wpływem enzymów zawartych w surowi­

cy i ślinie. Chang i wsp. opracowali nowe wypeł­

nienie dentystyczne na bazie gellanu. W tym celu wodne roztwory polimeru liofilizowano, a otrzy­

mane w ten sposób porowate produkty poddawa­

no sieciowaniu poprzez zanurzenie w roztworze odpowiedniego karbodiimidu i ponownie liofili­

zowano. Uzyskane gąbki gellanowe były nieroz­

puszczalne w wodzie, a wyniki badań wykaza­

ły, że mikrostrukturą, porowatością i ściśliwością były podobne do preparatu komercyjnego. Ponad­

to wykazywały bardzo dobrą zdolność do wchła­

niania krwi [47].

Podsumowanie

Guma gellan jest obecnie jednym z częściej badanych polisacharydów pochodzenia bak­

teryjnego. Korzystne właściwości, takie jak:

biokompatybilność, biodegradowalność, brak tok­

syczności, zdolność do żelowania jonotropowego oraz mukoadhezyjność, czynią gellan potencjalnym składnikiem formulacji doustnych, donosowych lub do oczu. Właściwości te stwarzają również możli­

wość zastosowania gellanu w stomatologii oraz in­

żynierii tkankowej. Warto zauważyć, że obecnie większość opisanych w niniejszej pracy rozwiązań znajduje się na poziomie badań laboratoryjnych.

Jednak, mając na uwadze dużą różnorodność po­

tencjalnych zastosowań gellanu oraz rosnącą licz­

bę ośrodków naukowych zaangażowanych w ba­

dania nad tym polimerem, można przypuszczać, że w najbliższym czasie stanie się on składnikiem ko­

lejnych komercyjnych preparatów farmaceutycz­

nych [3–5, 9, 48].

Otrzymano: 2015.11.19 · Zaakceptowano: 2015.12.20

Piśmiennictwo

1. Ahuja M., Singh S., Kumar A.: Evaluation of carboxymethyl gellan gum as a mucoadhesive polymer. Int. J. Biol. Macromol. 2013, 53:

114–121.

2. Miyazaki S., Aoyama H., Kawasaki N., Kubo W., Attwood D.: In situ­

­gelling gellan formulations as vehicles for oral drug delivery. J. Con­

trol. Release 1999, 60: 287­295.

3. Osmałek T., Froelich A., Tasarek S.: Application of gellan gum in pharmacy and medicine. Int. J. Pharm. 2014, 466: 328–340.

4. Bajaj I.B., Survase S.A., Saudagar P.S., Singhal R.S.: Gellan Gum: Fer­

mentative Production, Downstream Processing and Applications.

Food Technol. Biotechnol. 2007, 45: 341–354.

5. Morris E.R., Nishinari K., Rinaudo M.: Gelation of gellan – A review.

Food Hydrocolloid. 2012, 28: 373–411.

6. Kaneko T., Kang K.S.: Agar like polysaccharide produced by a pseu­

domonas species: taxonomical studies. Abstracts of the 79th Annu­

al Meeting of American Society for Microbiology, 1979, 25: 1–37.

7. Kang K.S., Veeder G.T., Mirrasoul P.J., Kaneko T., Cottrell I.W.: Agar­

­Like Polysaccharide Produced by a Pseudomonas Species: Produc­

tion and Basic Properties. Appl. Environ. Microbiol. 1982, 43: 1086–

1091.

8. Shah J.N., Jani G.K., Parikh J.R.: Gellan Gum and Its Applications – A Review. Pharmaceutical Reviews 2007, 5: 1–29.

9. Prajapati V.D., Jani G.K., Zala B.S., Khutliwala T.A.: An insight into the emerging exopolysaccharide gellan gum as a novel polymer. Car­

bohyd. Polym. 2013, 93: 670–678.

10. Rule P.L., Alexander A.D.: Gellan Gum as a Substitute for Agar in Lep­

tospiral Media. J. Clin. Microbiol. 1986, 23: 500–504.

11. García M.C., Alfaro M.C., Calero N., Munoz J.: Influence of gellan gum concentration on the dynamic viscoelasticity and transient flow of fluid gels. Biochem. Eng. J. 2011, 55: 73–81.

12. Sá­Correia I., Fialho A.M., Videira P., Moreira L.M., Marques A.R., Albano H.: Gellan gum biosynthesis in Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461: Genes, enzymes and exopolysaccharide production en­

gineering. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2002, 29: 170–176.

13. Mao R., Tang J., Swanson B.G.: Texture properties of high and low acyl mixed gellan gels. Carbohyd. Polym. 2000, 41: 331–338.

14. Moritaka H., Kimura S., Fukuba H.: Rheological properties of ma­

trix­particle gellan gum gel: effects of calcium chloride on the ma­

trix. Food Hydrocolloids. 2003, 17: 653–660.

15. Picone C.S.F., Cunha R.L.: Influence of pH on formation and properties of gellan gels. Carbohyd. Polym. 2011, 84: 662–668.

16. Dai L., Liu X., Tong Z.: Critical behavior at sol–gel transition in gel­

lan gum aqueous solutions with KCl and CaCl2 of different concen­

trations. Carbohyd. Polym. 2010, 81: 207–212.

17. Ogawa E., Matsuzawa H., Iwahashi M.: Conformational transition of gellan gum of sodium, lithium, and potassium types in aqueous so­

lutions. Food Hydrocolloids. 2002, 16: 1–9.

18. Verma A., Pandit J.K.: Comparative evaluation of Ca++ and Zn++ cross­

­linked gellan gum based floating beads. Arch. Sci. 2012, 65: 75–84.

19. Maiti S., Ranjit S., Mondol R., Ray S., Sa B.: Al+3 ion cross­linked and acetalated gellan hydrogel network beads for prolonged release of gli­

pizide. Carbohyd. Polym. 2011, 85: 164–172.

Rycina 4. Wypełnienie stomatologiczne Teruplug®

(źródło: www.biomaterial.co.jp/en/products/teruplug/product.html)

T E C H N O L O G I A P O S TA C I L E K U

20. Evageliou V., Mazioti M., Mandala I., Komaitis M.: Compression of gel­

lan gels. Part II: Effect of sugars. Food Hydrocolloids. 2010, 24: 392–

397.

21. Tang J., Mao R., Tung M.A., Swanson B.G.: Gelling temperature, gel clarity and texture of gellan gels containing fructose or sucrose. Car­

bohyd. Polym. 2001, 44: 197–209.

22. Matsukawa S., Watanabe T.: Gelation mechanism and network struc­

ture of mixed solution of low­ and high­acyl gellan studied by dyna­

mic viscoelasticity, CD and NMR measurements. Food Hydrocolloids.

2007, 21: 1355–1361.

23. Lorenzo G., Zaritzky N., Califano A.: Rheological analysis of emul­

sion­filled gels based on high acyl gellan gum. Food Hydrocolloids.

2013, 30: 672–680.

24. Shah D.P., Jani G.K.: A Newer Application of Physically Modified Gel­

lan Gum in Tablet Formulation using Factorial Design. Ars Pharm.

2010, 51: 28–40.

25. Vijan V., Kaity S., Biswas S., Isaac J., Ghosh A.: Microwave assisted synthesis and characterization of acrylamide grafted gellan, appli­

cation in drug delivery. Carbohyd. Polym. 2012, 90: 496–506.

26. Patil P., Chavanke D., Wagh M.: A review on ionotropic gelation me­

thod: novel approach for controlled gastroretentive gelispheres. Int.

J. Pharm. Pharm. Sci. 2012, 4: 27–32.

27. Verma A., Pandit J.K.: Rifabutin­loaded Floating Gellan Gum Beads:

Effect of Calcium and Polymer Concentration on Incorporation Effi­

ciency and Drug Release. Trop. J. Pharm. Res. 2011, 10: 61–67.

28. Narkar M., Sher P., Pawar A.: Stomach­Specific Controlled Release Gellan Beads of Acid­Soluble Drug Prepared by Ionotropic Gelation Method. AAPS PharmSciTech 2010, 11: 267–277.

29. Kulkarni R.V., Mangond B.S., Mutalik S., Sa B.: Interpenetrating po­

lymer network microcapsules of gellan gum and egg albumin entrap­

ped with diltiazem­resin complex for controlled release application.

Carbohyd. Polym. 2011, 83: 1001–1007.

30. Miyazaki S., Kawasaki N., Kubo W., Endo K., Attwood D.: Compari­

son of in situ gelling formulations for the oral delivery of cimetidine.

Int. J. Pharm. 2001, 220: 161–168.

31. Norton A.B., Cox P.W., Spyropoulos F.: Acid gelation of low acyl gel­

lan gum relevant to self­structuring in the human stomach. Food Hy­

drocolloids. 2011, 25: 1105–1111.

32. Gurtler F., Kaltsatos V., Boisrame B., Gurny R.: Long­acting soluble bioadhesive ophtalmic drug insert (BODI) containing gentamicin for veterinary use: optimization and clinical investigation. J. Control. Re­

lease 1995, 33: 231–236.

33. Kumar A., Mittal A., Kumar S., Singh A., Gupta A.: Effect of gelrite concentration on the release through ocular inserts of ciprofloxacin hydrochloride. J. Pharm. Res. 2009, 2: 487–490.

34. Carlfors J., Edsman K., Petersson R., Jornving K.: Rheological evalu­

ation of Gelrite® in situ gels for ophthalmic use. Eur. J. Pharm. Sci.

1998, 6: 113–119.

35. Kesavan K., Nath G., Pandit J.K.: Preparation and in vitro antibac­

terial evaluation of gatifloxacin mucoadhesive gellan system. DARU 2010, 18: 237–246.

36. Konstas A.G.P., Mantziris D.A., Maltezos A., Cate E.A., Stewart W.C.:

Comparison of 24 hour control with Timoptic® 0.5% and Timoptic­

­XETM 0.5% in exfoliation and primary open­angle glaucoma. Acta Ophtalmol. Scand. 1999, 77: 541–543.

37. Shedden A.H., Laurence J., Barrish A., Olah T.V.: Plasma timolol con­

centrations of timolol maleate: timolol gel­forming solution (TIMOP­

TIC­XE®) once daily versus timolol maleate ophthalmic solution twi­

ce daily. Doc. Ophtalmol. 2001, 103: 73–79.

38. Cao S., Ren X., Zhang Q., Chen E., Xu F., Chen J., Liu L.­C., Jiang X.:

In situ gel based on gellan gum as new carrier for nasal administra­

tion of mometasone furoate. Int. J. Pharm. 2009, 365: 109–115.

39. Cao S., Zhang Q., Jiang X.: Preparation of ion­activated in situ gel systems of scopolamine hydrobromide and evaluation of its antimo­

tion sickness efficacy. Acta Pharmacol. Sin. 2007, 28: 584–590.

40. Stock U.A., Vacanti J.P.: Tissue Engineering: Current State and Pro­

spects. Annu. Rev. Med. 2001, 52: 443–451.

41. Douglas T.E.L., Piwowarczyk W., Pamula E., Liskova J., Schaubroeck D., Leeuwenburgh S.C.G., Brackman G., Balcaen L., Detsch R., Dec­

lercq H., Cholewa­Kowalska K., Dokupil A., Cuijpers V.M.J.I., Van­

haecke F., Cornelissen R., Coenye T., Boccaccini A.R., Dubruel P.: In­

jectable self­gelling composites for bone tissue engineering based on gellan gum hydrogel enriched with different bioglasses. Biomed. Ma­

ter. 2014, 9: 045014.

42. Chang S.­J., Kuo S.­M., Liu W.­T., Niu C.­C.G., Lee M.­W., Wu C.­

S.: Gellan Gum Films for Effective Guided Bone Regeneration. J. Med.

Biol Eng. 2010, 30: 99–103.

43. Oliveira J.T., Martins L., Picciochi R., Malafaya P.B., Sousa R.A., Neves N.M., Mano J.F., Reis R.L.: Gellan gum: A new biomaterial for carti­

lage tissue engineering applications. J. Biomed. Mater. Res. A 2010, 93: 852–863.

44. Oliveira J.T., Gardel L.S., Rada T., Martins L., Gomes M.E., Reis R.L.:

Injectable gellan gum hydrogels with autologous cells for the treat­

ment of rabbit articular cartilage defects. J. Orthop. Res. 2010, 28:

1193–1199.

45. Oliveira J.T., Santos T.C., Martins L., Picciochi R., Marques A.P., Castro A.G., Neves N.M., Mano J.F., Reis R.L.: Gellan gum injectable hydro­

gels for cartilage tissue engineering applications: in vitro studies and preliminary in vivo evaluation. Tissue Eng. Part A 2010, 16: 343–353.

46. Lee M.­W., Tsai H.­F., Wen S.­M., Huang C.­H.: Photocrosslinkable gellan gum film as an antiadhesion barrier. Carbohyd. Polym. 2012, 90: 1132–1138.

47. Chang S.J., Huang Y.­T., Yang S.­C., Kuo S.­M., Lee M.­W.: In vitro properties of gellan gum sponge as the dental filling to maintain alve­

olar space. Carbohyd. Polym. 2012, 88: 684–689.

48. Giavasis I., Harvey L.M., McNeil B.: Gellan Gum. Crit. Rev. Biotech­

nol. 2000, 20: 177–211.

w 1984 r., a dwa lata później została ona opatento­

wana przez Charlesa Hulla pod nazwą stereolitogra­

fii [2]. Polegała ona na wytwarzaniu litych przed­

miotów poprzez łączenie szeregu warstw materiału [3]. Substancja formowana była poddawana dzia­

łaniu lasera UV, za pomocą którego nadawało się jej żądany kształt, kolor, teksturę oraz grubość, będą­

ce cechami drukowanego obiektu [4]. Pierwsze dru­

karki przestrzenne Hulla zdecydowanie przyczyniły się do zrewolucjonizowania wielu gałęzi gospodar­

ki oraz stały się podwaliną prac zmierzających do przyszłego wykorzystania druku trójwymiarowego w naukach farmaceutycznych i medycznych.

Drukowanie 3D polega na formowaniu obiek­

tów przestrzennych poprzez scalanie lub nanosze­

nie kolejnych warstw odpowiedniego budulca. Do materiałów, z użyciem których druk 3D jest moż­

liwy, zalicza się m.in. wszelkie tworzywa sztucz­

ne, piasek, silikon, także biodegradowalne polime­

ry, a ostatnio także biomateriały i żywe komórki.

Możliwe jest również drukowanie żywności, np.

czekoladowych figurek lub innych ozdób wyko­

rzystywanych w cukiernictwie. Obecnie istnieje ponad dwadzieścia różnych metod druku trójwy­

miarowego, które wykorzystują odmienne techniki drukowania. Każda z nich jest związana z inną roz­

dzielczością i szybkością. Bazują one na szerokiej gamie materiałów. Technologia ta pozwala otrzy­

mać trójwymiarowy obiekt o dowolnym kształ­

cie zdefiniowanym elektronicznie przez plik CAD (Computer-Aided Design). Po przesłaniu przez komputer i odczytaniu pliku drukarka 3D formuje podstawę przedmiotu, poruszając głowicą w płasz­

czyźnie x-y. Następnie, podążając za instrukcja­

mi CAD, głowica przesuwa się pionowo wzdłuż osi z, drukując kolejne warstwy, jedna po drugiej [1, 5]. Początkowo technologia ta służyć miała głów­

nie do produkcji prototypów, np. silników, karo­

serii samochodowych, sprzętu AGD. Metoda taka

N

ieustająca konieczność opracowywania no­

wych leków skierowanych na konkretny cel terapeutyczny, przy jednoczesnej potrzebie stoso­

wania spersonalizowanych dawek medykamentów, jest jednym z głównych zadań współczesnych nauk farmaceutycznych i medycznych. Szczególnie pro­

dukcja leków uwzględniająca ściśle określone daw­

ki jednej lub kilku substancji aktywnych dopaso­

wanych do indywidualnych cech pacjenta, takich jak: wiek, płeć, inne przyjmowane leki, wymaga za­

stosowania technologii odmiennych od dotychczas znanych w przemyśle farmaceutycznym [1]. Nie­

zwykle ciekawym i obiecującym rozwiązaniem jest zastosowanie w tym celu druku trójwymiarowego (3D Printing, 3DPI). Założenia tej metody powstały Application of 3D printing in pharmacy · Production of medicines

incorporating specific amounts of one or more active substances tailored to individual characteristics of the patient, requires the use of different technologies than already known in the pharmaceutical industry.

Very promising solution is the use of 3D printing. Printing consists in forming objects by merging or applying successive layers of a suitable building material. Currently, 3D printers are becoming more common in medicine and life sciences. There are also specific examples of their use in pharmacy. In August 2015 there was some information that the first 3D-printed medication was approved by the US Food and Drug Administration (FDA). In addition, the source literature review shows that there are a number of scientific reports showing promising results of the implementation aspects of 3D printers in the production of drugs. These devices may be useful, eg. in the preparation of drug delivery systems.

Also, there were studies using printed by 3D tablets of various shapes and with different surface areas. The variety of forms obtained is not possible to obtain by the conventional technological methods.

Keywords: three-dimensional printing, Spritam®, drug delivery systems, printed tablets.

© Farm Pol, 2016, 72(1): 54–58

W dokumencie [2016/Nr 1] Nr 1/2016 (pełna wersja) (Stron 51-54)

Powiązane dokumenty