Anwendung des TOPSIS-Algorithmus zur Beschreibung von Bakterienzellulose

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2755 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Ein Mehrkomponenten-Hydrogel wurde unter Verwendung von bakterieller Zellulose, Alginat und Gelatine mit Hilfe von Glycerin als dreiwertigem Alkohol entwickelt, der an der Umverteilung von Wasserstoffbrückenbindungen im Testsystem beteiligt ist. Als instrumentelle Techniken wurden FTIR, XRD, SEM und TGA verwendet, um die physikalischen/chemischen Eigenschaften des gebildeten Verbundhydrogels strukturell zu charakterisieren. Mithilfe einer Exponentialgleichung wurde das Quellverhalten des Hydrogels bewertet. Durch die Einarbeitung eines Modellarzneimittels (Methylenblau – MB) in das gebildete Hydrogel zielten Experimente darauf ab, die Freisetzungseigenschaften des MB zu untersuchen, wobei die Mediumlösung für die Freisetzung bei vier verschiedenen pH-Werten hergestellt wurde. Die maximale kumulative Wirkstofffreisetzung bei pH 2,8, 6, 7,4 und 9 betrug 42,8, 63, 80 bzw. 84,5 %. Der Datenanpassungsprozess wurde unter Verwendung von fünf kinetischen Modellen (Korsmeyer-Peppas, Higuchi, Hopfenberg, Gleichungen nullter Ordnung und erster Ordnung) durchgeführt und das bevorzugte kinetische Modell bei jedem pH-Wert wurde durch Anwendung der TOPSIS-Algorithmustechnik geschätzt. Die Adsorptionskapazität des Hydrogels im Verhältnis zu MB wurde bestimmt, während die thermodynamischen Eigenschaften dieser Beziehung quantifiziert wurden (\(\Delta{\text{H}}_{\text{ad}}^{0}= \text{ } - \text{99,95 kJ} \, {\text{mo}}{\text{l}}^{-{1}}\) und \(\Delta{\text{S}}_{\text{ad} }^{0}= -\text{0,237 kJ} \, {\text{mo}}{\text{l}}^{-{1}} {\text{K}}^{-{1}} \)). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie sprachen für die mögliche Verwendung des entwickelten Verbundhydrogels in Arzneimittelabgabesystemen.

In den letzten Jahren richtete sich die Aufmerksamkeit im medizinischen Bereich auf die Verwendung von Verbundhydrogelen auf Biopolymerbasis, vor allem wegen ihrer Biokompatibilität, biologischen Abbaubarkeit und Ungiftigkeit, wobei bakterielle Cellulose (BC) unter den natürlichen Polymeren am beliebtesten ist1.

Eine kürzlich durchgeführte Studie zur Kinetik der durch Cellulosesynthase katalysierten Cellulosesynthese in Gluconacetobacter hansenii hat den beteiligten Prozess im Detail gezeigt, wobei Initiierung, Verlängerung und Beendigung (Freisetzung der synthetisierten Cellulose vom Enzym) drei Phasen sind, durch die die strukturelle Ordnung schrittweise zunimmt -by-step2: Die parallele Ausrichtung der gebildeten Ketten miteinander verbundener D-Glucose-Einheiten durch glykosidische kovalente Bindungen erfolgt in Längsrichtung, während Wasserstoffbrückenbindungen (Inter-/Intra-Verknüpfungen) und Van-der-Waals-Kräfte letztendlich ineinander verschlungene Strukturen ergeben, die nativer Cellulose als Cellulose-I-Mikrofibrille zuzuordnen sind (Ein regelmäßiges Muster aus langen und verschlungenen Ketten der gebildeten Cellulose I kann nicht in der gesamten Struktur aufrechterhalten werden und ist parakristallin das Ergebnis dieser strukturellen Überlegung)3. Mehrere Mikrofibrillen werden großflächig zusammengehalten, anschließend werden die Bandstrukturen gebildet, übereinander gestapelt und außerhalb der Bakterienzelle platziert3. Die Komplexität dieser Art von Strukturen ist hoch und sie spielen eine Rolle als Zellschutzhülle, die als mikrobielle Biofilme kategorisiert werden3. Die oben genannte Schicht gibt den produzierenden Bakterien die Möglichkeit, besser mit Umweltbelastungen umzugehen, bei denen Schäden durch biotische und abiotische Faktoren verursacht werden können.

Alginat (Alg) ist ein natürliches Polysaccharid, das aus Algen gewonnen wird, und β-D-Mannuronsäure und α-L-Guluronsäure sind Bestandteile dieses Polymers, wobei diese Uronsäuren in Gegenwart von mehrwertigen Metallen umfassend am Vernetzungsprozess beteiligt sein könnten Kationen. Das Alginat-Polymer erreicht schließlich den Aufbruchpunkt seiner „Eierschachtel“-Struktur, konzentriert sich auf Calciumionen als die bevorzugten und ersetzt sie durch Natriumionen an den Carboxylatgruppen. Diese Art von Experiment (Kalziumionendiffusion durch das Netzwerk, überwacht durch die Methode der paramagnetischen Elektronenresonanz) führt wahrscheinlich zu größeren Abständen zwischen den Polymerketten4.

Viele Studien der letzten Jahre konzentrierten sich auf die Herstellung von Hydrogelen auf Gelatinebasis5,6,7,8. Die Aufmerksamkeit dieses Themas richtet sich zunächst auf die stark vernetzte Dreifachhelix in Kollagen im Hinblick auf die einzigartigen Aminosäuresequenzen, die dazu geführt haben, dass dieses Protein leicht durch Umweltfaktoren beeinträchtigt wird9. Tatsächlich ist die Produktion von Gelatine ein Ergebnis der Wärmebehandlung und teilweisen Hydrolyse von Kollagen als faserigem Protein, bei dem die Polypeptidketten nicht mehr in regelmäßiger Verbindung zueinander stehen (d. h. Gelatine als denaturiertes Produkt von Kollagen)9.

Durch die Kombination von BC, Alg und Gl wurden physikalische Bindungen zwischen geeigneten chemischen Ketten unter Verwendung von Calciumionen und mit Hilfe von Glycerin als dreiwertigem Alkohol gebildet, der über seine Hydroxylgruppen und andere in den Polymerketten vorhandene funktionelle Gruppen an der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sein kann (–OH, –NH, –COO−, –CO). Die Vernetzung zwischen diesen verknüpften Polymeren führte zur Bildung eines BC-basierten Verbundhydrogels (BC-basiertes CH). Die Experimente in der vorliegenden Studie waren zunächst auf die Verwendung von FTIR-, XRD-, TGA- und SEM-Analysen ausgerichtet und das gebildete Verbundhydrogel wurde somit strukturell charakterisiert.

Weitere interessante Punkte waren die quantitative Bewertung der Verhaltensfunktionalität des Verbundhydrogels im Hinblick auf seine Quellkapazität und Arzneimitteladsorption mithilfe von Langmuir- und Freundlich-Isothermen. Das Ausmaß der relevanten Prozesse wurde thermodynamisch quantifiziert.

Die Wirkstofffreisetzung aus Verbundhydrogel umfasst mehrere Schritte, die nacheinander/gleichzeitig ablaufen, beginnend mit der Wasseraufnahme, der Diffusion und dem Wirkstofftransport durch das Polymernetzwerk. Die physikalische Verflechtung/Entwirrung des hydratisierten Polymers, das Quellen, die Auflösung des Arzneimittels und die Diffusion in die Testlösung weisen darauf hin, dass mehrere Mechanismen an der Arzneimittelfreisetzung beteiligt sind10,11. Unter Verwendung von Methylenblau (MB) als Modellarzneimittel wurde in der vorliegenden Arbeit die Freisetzungskinetik mathematisch beschrieben. Es wurden fünf verschiedene Modelle verwendet, nämlich Korsmeyer-Peppas-, Higuchi-, Hopfenberg-Gleichungen nullter und erster Ordnung. Die Qualität eines Modells lässt sich durch seine Vorhersagefähigkeit im Zusammenhang mit seiner Genauigkeit bei der Vorhersage erklären. Daher wurde das Potenzial der TOPSIS-Anwendung als Methode zur Entscheidungsfindung nach mehreren Kriterien (MCDM) in der vorliegenden Studie bewertet.

BC-Membranen wurden von Nano Novin Polymer Company im Iran gekauft (\({20} \, \times \, \text{30 } \times \, \text{0,4}\) cm) und mit 0,1 M NaOH-Lösung behandelt ( 90 °C für eine Stunde) und dann mit destilliertem Wasser (DW) gewaschen, bis der pH-Wert der Lösung einen neutralen pH-Wert von ~ 7 erreichte. Gl (110 Blüten), Alg (aus Braunalgen gewonnen) und Calciumchlorid wurden alle von gekauft Lokale Märkte werden in analytischer Qualität bereitgestellt (Sigma-Aldrich und Applichem GmbH).

Die behandelten BC-Membranen wurden in 10 mm x 10 mm x 4 mm große Stücke geteilt und 200 ml DW wurden zugegeben. Die Mischung wurde dann in einen Homogenisator überführt, der mit einem Leitungswasserzirkulationssystem ausgestattet war, um den Zustand bei mäßiger Temperatur zu halten (16.000 U/min für 15 Minuten, HO4 Edmund Bühler 7400 Tübingen, Deutschland). Die Konzentration der vorbereiteten BC-Aufschlämmung wurde auf 2 Gew.-% eingestellt. Dies erfolgte durch Zentrifugation (10.000 U/min für 10 Minuten) und der Überstand wurde entfernt (Biofuge Stratos, Thermo Scientific, USA). Im Hinblick auf die von Chiaoprakobkij et al. berichteten Ergebnisse wurden Vorarbeiten auf der Grundlage von Einzelexperimenten durchgeführt und die Ergebnisse waren aufschlussreich für die Herstellung von 10 g des zusammengesetzten Hydrogels12. Das folgende Verfahren wurde befolgt: Gl-Pulver (0,3 g) wurde zunächst 1 Stunde lang mit einer proportionalen Menge DW unter Verwendung eines magnetischen Heizrührers (500 U/min und 60 °C) gemischt. Relevante Portionen Alg (0,05 g), Glycerin (0,1 g) und NaCl (0,1 g) wurden zugegeben und das Rühren wurde fortgesetzt, bis eine homogene Lösung erhalten wurde. Dann wurden 5 g BC-Aufschlämmung zugegeben und die Mischung 1 Stunde lang bei 500 U/min gerührt. Die homogenen Mischungen wurden auf sterile Petrischalen gegeben und die Platten 72 Stunden lang bei etwa 35 °C in einem Vakuumofen (H. Jürgens & Co., Bremen, Deutschland) getrocknet. Jede der getrockneten Proben wurde mit 50 ml einer \({\text{CaC}}{\text{l}}_{2}\)-Lösung (2,5 % w/v) unter Verwendung eines Schüttelinkubators (Kühner-Schüttler, Schweiz, 70 U/min für 60 Minuten). Anschließend wurden die vernetzten Verbundhydrogele mit DW gespült, um alle nicht umgesetzten Wirkstoffe zu entfernen. Die gebildeten Verbundhydrogele wurden in \(\text{1 } \,\times\, \text{1 \, cm}\) Stücke geschnitten und anschließend 4 Stunden lang bei 45 °C getrocknet.

Fourier-Transformations-Infrarotspektren wurden mit dem Spektrometer (Thermo Fisher Scientific Co. Ltd., MA, USA) aufgezeichnet. Die Daten wurden von 4000 bis 600 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\) im Übertragungsmodus gesammelt.

Die geordnete Anordnung der Atom-Moleküle in einem Material verleiht der Probe bestimmte Muster. Dies ist die Grundlage der Materialkristallinität, bei der die Reaktionen auf die Einwirkung von Röntgenstrahlen in der XRD-Spektroskopie gemessen werden. Die Intensität und der Streuwinkel der Röntgenstrahlen, die die Probe verlassen, werden dann aufgezeichnet (durch Angabe des Bereichs von \(\text{2}\)θ, z. B. 5°–40°). Unter Befolgung der Bedienungsanleitung wurden Messungen unter Verwendung eines Ni-Filters bei Raumtemperatur mit einer Spannung und einem Strom von 40 kV bzw. 40 mA durchgeführt (CuKα als Strahlungsquelle, KEFA XRD, Panalytical Inc., Niederlande).

Peaks in XRD-Diffraktogrammen wurden visuell erkannt und die Ergebnisse wurden mit der Origin Pro-Software (Version 9.8) analysiert. Das relevante Diagramm wurde dann zur Kristallinitätsberechnung gemäß dem unten angegebenen Ausdruck verwendet:

wobei \({\text{I}}_{\text{c}}\) die Fläche der gesamten kristallinen Phase darstellt und \({\text{I}}_{\text{a}}\) die Fläche angibt Bereich der amorphen Phase.

Mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (Tescan „Mira 3“, Tschechische Republik) wurden FE-SEM-Untersuchungen der Proben durchgeführt. Das nicht leitende Verhalten von Zellulose ist eine mögliche Ursache für den Ladungsaufbau auf der Probenoberfläche. Dies kann sich negativ auf die Qualität der entwickelten Bilder auswirken. Dies kann durch eine Vergoldung der Oberfläche verhindert werden. Einzelheiten zum Verfahren finden sich an anderer Stelle13.

Messungen wurden mit einem Thermoanalysator durchgeführt, um die thermische Stabilität des vorbereiteten BC und BC-basierten CH (Mettler Company, USA) zu beurteilen. Durch Abwiegen einer 5-mg-Probe und Einlegen in eine Aluminiumpfanne wurde der Erhitzungsprozess mit der folgenden Spezifikation durchgeführt: Erhitzungsrate von 10 °C/min unter \({\text{N}}_{2}\)-Atmosphäre mit eine Durchflussrate von 50 ml/min von 25 bis 500 °C. Durch die Ermittlung der thermogravimetrischen Kurven der ersten Ableitung (DTG) wurde versucht, die Temperatur zu ermitteln, bei der der maximale Gewichtsverlust auftreten würde.

Zubereitetes BC und BC-basiertes CH in einem flüssigen Medium ist eine Art kolloidale Dispersion, und ihre Stabilität könnte quantitativ anhand des Zetapotentials gemessen werden – dem Ausmaß des Widerstands gegen Ausflockung, der ein Indikator für unzureichende elektrostatische Ladung an der Partikeloberfläche ist , kann geschätzt werden (Cordouan Tech, WALLIS, Frankreich).

Die spezifische Oberfläche und das Porenvolumen der Proben wurden durch \({\text{N}}_{2}\) unter Verwendung des Gassorptionssystems autosorb-1-MP (Quantachrome Corporation, Österreich) bestimmt, das auf der Grundlage des BET-Konzepts betrieben wurde.

Das Quellverhalten von BC-basierten CH-Proben bei verschiedenen pH-Werten (pH 2,8–9 unter Verwendung von „Phosphatpuffer“) wurde mit der gravimetrischen Methode analysiert. Kurz gesagt, die getrocknete Probe wurde zunächst gewogen (\({\text{W}}_{0}\)) und dann 45 Minuten lang bei 37 °C in Lösungen mit einem bestimmten pH-Wert eingetaucht. Die gequollenen Proben wurden regelmäßig aus den Lösungen entfernt und erneut gewogen (\({\text{W}}_{\text{s}})\), unmittelbar nachdem das überschüssige Medium mit Filterpapier abgetupft und die Quellkapazität gemessen wurde : \(\text{Schwellung \, Kapazität}=({\text{W}}_{\text{s}}-{\text{W}}_{\text{d}}\text{)/} {\text{W}}_{\text{s}}\). Die Quellgeschwindigkeit wurde mithilfe der folgenden Exponentialgleichung14 ermittelt:

wobei \({\text{S}}_{\text{t}}\) die Quellkapazität zum Zeitpunkt t darstellt, \({\text{S}}_{\text{e}}\) die Gleichgewichtsquellung ist wobei die Schwellung einen Maximalwert erreicht und r als Geschwindigkeitsparameter die Zeit angibt, nach der die Quellkapazität 0,63 der Gleichgewichtsschwellung erreicht.

Bei der Durchführung von Medikamentenbeladungsexperimenten wurden wässrige Lösungen von MB in unterschiedlichen Konzentrationen von 20 bis 100 mg/l unter Verwendung von 100-ml-Erlenmeyerkolben hergestellt, die jeweils 15 ml der Testlösung enthielten. Die Menge der BC-basierten Verbundhydrogele, die jedem Kolben zugesetzt wurde, betrug 4 mg. Die Kolben wurden drei Tage lang in einem Schüttelinkubator (70 U/min – Kühner-Schüttler, Schweiz) bei drei Temperaturen (27 °C, 37 °C und 47 °C) inkubiert. MB in der Testlösung wurde spektrophotometrisch geschätzt (665 nm – UV-Vis Jasco, Japan).

Langmuir-Gleichungen (Gleichung 3) und Freundlich-Gleichungen (Gleichung 4) wurden verwendet, um die Beziehung zwischen MB und BC-basiertem CH anhand der Adsorptionsisotherme quantitativ zu beschreiben:

wobei \({\text{Q}}_{\text{e}}\) (mg/g) die Menge an MB als Adsorbat ist, die pro Masseneinheit von BC-basiertem CH als Adsorbens im Gleichgewicht adsorbiert wird, \ ({\text{Q}}_{\text{m}}\)(mg/g) ist ein Indikator für die Chemisorptionskapazität (theoretisch definiert als Monoschichtadsorption), \({\text{C}}_{\text {e}}\) (mg/l) ist die MB-Konzentration in der Massenlösung im Gleichgewicht und \({\text{K}}_{\text{L}}\) (l/mg) ist die Langmuir-Konstante . Der Wert von \({\text{Q}}_{\text{e}}\) kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Dabei ist V das Gesamtvolumen (l), W die Menge an BC-basiertem CH (g) und \({\text{C}}_{0}\) (mg/l) die Anfangskonzentration von MB .

Ein weiterer Hinweis besteht darin, die Konstante \({\text{R}}_{\text{L}}\) zu bestimmen, die gleich \({1}\text{/(}{1} \, {+} \, { \text{K}}_{\text{L}}{{\text{C}}}_{0}\text{)}\). Der Wert dieser dimensionslosen Konstante gibt die Tendenz der Adsorptionsisotherme an, dem folgenden Muster zu folgen: \({\text{R}}_{\text{L}}\) > 1 als ungünstiger Ereignistrend, \({\ text{R}}_{\text{L}}\) = 1 als lineares Muster, \({0} \, {<} \, {\text{R}}_{\text{L}} \ , {<} \, {1}\) als günstiger Trend und \({\text{R}}_{\text{L}} \, {=} \, {0}\) als irreversibles Ereignis .

Ein weiterer Hinweis bestand darin, \({\text{K}}_{\text{F}}\) als Freundlich-Konstante zu betrachten, die die relative Adsorptionskapazität des BC-basierten CH angibt und 1/n das Maß dafür ist die Intensität der Adsorption, und je höher der 1/n-Wert, desto günstiger wäre die Adsorption.

Die übliche Praxis zur Schätzung der Änderung der freien Energie ist die Verwendung der Van't-Hoff-Gleichung, in der die Gleichgewichtskonstante (\({\text{K}}_{\text{eq}}\)) durch Enthalpie und Entropie definierbar ist ändern:

Dabei ist R die universelle Gaskonstante (8,314 J/mol K) und T die Temperatur (K). Durch Auftragen von \({\text{ln}}{\text{K}}_{\text{eq}}\) gegen 1/T würden die Größen der Enthalpie und Entropie bestimmt.

Um die kumulative Freisetzung des Modellarzneimittels quantitativ zu bewerten, wurden die getrockneten MB-beladenen BC-basierten CHs in 100 ml der vorbereiteten Lösungen (pH 2,8–9) getaucht und 72 Stunden lang in einem Schüttelinkubator bei 70 U/min und 37 °C inkubiert . Den Testlösungen wurden in vordefinierten Abständen entsprechende Aliquots entnommen und durch eine gleiche Menge frisches Medium ersetzt. Die Konzentration des freigesetzten MB wurde spektrophotometrisch bei 665 nm bestimmt. Der Ausdruck der Menge der MB-Freisetzung zum Zeitpunkt „t“ dividiert durch die Gesamtmenge der in BC-basierten CH geladenen MB wurde verwendet, um den Prozentsatz der kumulativen MB-Freisetzung aus dem System anzuzeigen.

Quantitativ erhaltene Arzneimittelfreisetzungsdaten wurden verwendet, um die Freisetzungskinetik mithilfe von Korsmeyer-Peppas-, Higuchi-, Hopfenberg-Modellen sowie Modellen nullter und erster Ordnung zu bewerten (Gleichungen 9–13):

wobei \({\text{M}}_{\text{t}}\) die kumulative Menge an freigesetzten MB ist und M∞ die kumulative Menge an freigesetzten MB im unendlichen Zeitraum ist, \({\text{k} }_{0}\) und \({\text{k}}_{1}\) sind die Geschwindigkeitskonstanten nullter bzw. erster Ordnung. \({\text{k}}_{\text{h}}\) ist die Higuchi-Auflösungskonstante, \({\text{k}}_{\text{KP}}\) ist die Korsmeyer-Peppas-Konstante und 'n' ist der Release-Exponent7,15. \({\text{k}}_{0}^{\prime}\) ist die Geschwindigkeitskonstante nullter Ordnung, die den Abbau des Polymernetzwerks (Oberflächenerosion) beschreibt, \({\text{C}}_{0 }\) ist die anfängliche MB-Wirkstoffbeladung des Polymernetzwerks, „a“ ist die halbe Dicke des Netzwerks und „m“ ist ein Exponent, der mit der Geometrie des Testsystems variiert: m = 1, 2 und 3 für die Platte , zylindrische bzw. sphärische Geometrie10.

Jede Information wurde in dreifacher Ausfertigung gesammelt und als mittlere Standardabweichung (\(\pm\)) angezeigt (relevante Fehlerbalken sind in jeder Abbildung dargestellt). Für die Verarbeitung der in den Release-Experimenten gewonnenen Daten wurde ein nichtlinearer Ansatz in Betracht gezogen (Origin Pro-Software, Version 9.8). Die Vorhersagequalität des Modells in der MB-Freisetzungskinetik wurde mithilfe der folgenden Ausdrücke geschätzt:

Das Bestimmtheitsmaß:

Mittlerer quadratischer Fehler:

Chi-Quadrat:

Akaike-Informationskriterium16:

wobei \({\text{y}}_{\text{i}}\), \({\widehat{\text{y}}}_{\text{i}}\) und \(\stackrel {\mathrm{-}}{\text{y}}\) sind die experimentelle Antwort für die i-te Beobachtung, der berechnete Wert von \({\text{y}}_{\text{i}}\) und die Durchschnitt der Beobachtungen. „n“ ist die Anzahl der experimentell erhältlichen Beobachtungen und p ist die Anzahl der Parameter im Modell.

Eine kurze Beschreibung der Schritte, die bei der Verwendung der TOPSIS-Technik in der vorliegenden Studie verwendet werden, kann wie folgt betrachtet werden17:

Die in den Freisetzungsexperimenten gesammelten Daten werden in einer mathematischen Matrix mit 5 Zeilen und 4 Spalten angeordnet, die als Entscheidungsmatrix (DM) bezeichnet wird.

\({\text{A}}_{\text{i}}\) (i = 1, 2, …, m) ist ein Symbol für Alternativen und \({\text{C}}_{\text{ j}}\) (j = 1, 2, …, n) ist ein Symbol für Kriterien. Die Alternativen geben kinetische Freisetzungsmodelle an, die als Gleichungen beschrieben werden. (9)–(13). Bei den Kriterien handelt es sich um Messungen, die in dieser Studie verwendet wurden, um die Leistung des Modells im Hinblick auf seine Vorhersagegenauigkeit zu bewerten (Gl. 14–17).

Durch Berücksichtigung von \({\text{x}}_{\text{ij}}\), das die Bewertung der Alternative \({\text{A}}_{\text{i}}\) in Bezug auf das Kriterium darstellt \({\text{C}}_{\text{j}}\) wird die normalisierte Entscheidungsmatrix berechnet:

Durch Zuweisen der Gewichtung zu jedem Kriterium in Bezug auf eine Alternative wird die gewichtete normalisierte Entscheidungsmatrix entwickelt:

wobei \(\sum_{\text{j=1}}^{\text{n}}{{\text{W}}}_{\text{j}}= \text{1}\) und in diesem Studie wird für alle Variablen das gleiche Gewicht angegeben \(({\text{W}}_{\text{j}}=\text{1/n}{)}.\)

Um die beste Alternative in der TOPSIS-Methode zu finden, müssen die euklidischen Abstände jeder Alternative aus den positiven und negativen Ideallösungen berechnet werden (\({\text{S}}_{\text{i}}^{+}\ ) und \({\text{S}}_{\text{i}}^{-}\)). Die folgenden Ausdrücke zeigen, dass die Grundlage der Bestimmung der positiven idealen Lösung (PIS) darin besteht, den Maximalwert für jedes \({\text{V}}_{\text{ij}}\) zu finden, das einem bestimmten Kriterium in entspricht Die für eine Alternative festgelegten Kriterien (dargestellt als Menge „J“) und gleichzeitig sind die Werte dieses \({\text{V}}_{\text{ij}}\) minimal für andere damit verbundene Kriterien zu dieser Alternative (dargestellt als Menge '\(\text{J}^{\prime}\)'):

Ein ähnliches Konzept wird für die Bestimmung der negativen idealen Lösung (NIS) in Betracht gezogen:

Der letzte Schritt besteht darin, die Alternativen (kinetische Modelle) anhand der Leistungsbewertung (\({\text{p}}_{\text{i}}\)) einzustufen:

Unter Verwendung der TOPSIS-Methode wurde die Freisetzungskinetik-Studie separat bei Test-pH-Werten durchgeführt.

FTIR-Spektren zeigen die molekulare Zusammensetzung der Proben im Hinblick auf das Vorhandensein funktioneller Gruppen an. Die Infrarot-Spektraleigenschaften für die BC-, Alg-, Ca-Alg-, Gl- und BC-basierten CH-Proben sind in Abb. 1 dargestellt. Streck- und Biegemodi sind die beiden einfachsten Arten von Schwingungsbewegungen in einem infrarotaktiven Molekül18. Symmetrische Dehnung und asymmetrische Dehnung sind zwei Arten von Streckschwingungen, und Scherenbewegungen, Schaukelbewegungen (in der Ebene), Wackeln und Verdrehen (außerhalb der Ebene) werden den komplexen Arten von Biegeschwingungen zugeordnet18. Das Spektrum der BC-Membran zeigt beispielsweise starke Signale bei 3343, 2893, 1429 und 1055 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\) und diese Absorptionspeaks sind zurückzuführen auf die O-H-, -CH-Streckung, die asymmetrische C-H-Winkelverformung bzw. die C-OH-Streckung in Alkoholen. Die Ergebnisse stimmen mit denen in der Literatur überein (Abb. 1)12,19,20,21,22.

FTIR-Spektren der Proben jedes in der vorliegenden Studie verwendeten Biopolymers vor der Kombination zur Herstellung des Verbundhydrogels (BC-basiertes CH).

Die charakteristischen FTIR-Banden für reines Natriumalginat hängen mit der –OH-Streckung (breitbandig um 3240 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\)), der asymmetrischen C-H-Streckung ( 2925 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\)), asymmetrische und symmetrische Streckung von –\({\text{CO}}{\text{O}} ^{-}\)-Gruppe bei 1597 bzw. 1409 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\) und C-O-C-Streckung (1021 \({ \text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\))19,23. Darüber hinaus ist die bei etwa 814 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\) beobachtete Streckschwingungsbande spezifisch für Mannuronsäure12. Die charakteristischen Peaks von Ca-Alg ähnelten denen von Alg, mit einigen leichten Verschiebungen, beispielsweise in den Bändern im Zusammenhang mit –\({\text{CO}}{\text{O}}^{-}\) Streckung bei 1588 und 1410 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\), was möglicherweise auf die Assoziation dieser Gruppe mit dem Calciumion (Alginat-Kreuzung) zurückzuführen ist. verknüpft durch \({\text{C}}{\text{a}}^{2+}\))19,24. Zu den charakteristischen Merkmalen reiner Gelatine gehören die Absorptionspeaks bei 3278, 2928 und 1448 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\), die der aliphatischen N-H-Streckung entsprechen C-H-Streckung bzw. C-H-Biegung. Außerdem wurden Absorptionspeaks bei 1628, 1528, 1333 und 1237 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\) der C=O-Streckschwingung (Amid-I) zugeschrieben ), N-H-Biegeschwingung (Amid-II), C-N-Streckschwingung bzw. N-H-Biegeschwingung12,19,20.

In BC-basiertem CH traten eine –OH-Streckung und eine asymmetrische CH-Streckung bei 3335 bzw. 2896 \({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\ auf. Die Bänder im Zusammenhang mit der asymmetrischen und symmetrischen Streckung der Gruppe –\({\text{CO}}{\text{O}}^{-}\) und der C–O–C-Streckung verschoben sich auf 1602, 1423 und 1030 \ ({\text{c}}{\text{m}}^{-{1}}\), jeweils8,19. Die Aminogruppenpeaks von Gelatine waren im BC-basierten CH nicht deutlich sichtbar, was möglicherweise auf die Bildung von Komplexen zwischen anionischen und kationischen Seitenketten (d. h. Alg, BC und Gl) zurückzuführen ist12,19.

Cellulose behält als kristalline Substanz ihre Anordnung über einen langen Zeitraum bei, es sei denn, ihre komplexe Struktur aus Kristallin und amorphen Stoffen nimmt äußere Belastungen wahr. Jede auf dem Zweiphasenmodell basierende Methode zur Berechnung der Kristallinität stößt auf mehrere Probleme, die mit dieser Idee verbunden sind. Beispielsweise ist bei der Synthese von Cellulose und auf dem Weg zum Mikrofibrillennetzwerk die Entwicklung parakristalliner Cellulose deutlich zu spüren, und es wurde festgestellt, dass ihr Anteil in Baumwollcellulose (33 %) sehr nahe am Gehalt an kristalliner Cellulose (31,8 %) liegt3. 25.

Ein Vergleich zwischen dem Mikrofibrillennetzwerk von BC und pflanzlicher Cellulose (PC) zeigt, dass die Qualität und das Ausmaß der Bildung von Wasserstoffbrücken stärker von molekularen Signalwegen bei der BC-Synthese als bei PC3 beeinflusst werden. Abbildung 2 zeigt REM-Bilder der Oberflächen von BC und BC-basiertem CH. Das in Abb. 3 gezeigte XRD-Muster des BC zeigt drei Peaks bei 14,6°, 16,8° und 22,8°. BC-basiertes CH weist im XRD-Muster Peaks geringerer Intensität auf, die mit denen von BC vergleichbar sind, was auf eine Abnahme der Kristallinität des Verbundhydrogels hindeutet. Die mit der Origin Pro-Software berechneten Werte für die Kristallinitäten von BC und BC-basiertem CH betrugen 63,6 % bzw. 57,8 %.

REM-Bilder der Oberflächen von (a) BC und (b) BC-basiertem CH.

Zur Berechnung des Kristallinitätsindex verwendete XRD-Spektren (Origin Pro-Software): (a) BC und (b) BC-basiertes CH.

Wie oben erwähnt, ist das Ergebnis dicht gepackter Cellulose-Mikrofibrillen und ihrer Zusammengehörigkeit die Bildung von übereinander gestapelten Bandstrukturen, die außerhalb der Bakterienzelle platziert werden, und die Beteiligung von Wasserstoffbrückenbindungen ist ein strukturelles Verhalten, das auf die Starrheit von BC zurückzuführen ist ( Abb. 4a). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Steifigkeit der Calciumalginatkette von der Monomerzusammensetzung des Alginats abhängt und die Erhöhung der Kettenflexibilität auf das Mannuronmonomer zurückzuführen ist26. Das dynamische Verhalten von Polymerketten in Bezug auf Bewegungen und Bewegungen (Dimensionen im Mikro-/Nanomaßstab) und Selbstverschränkung (z. B. Cellulose im nativen Zustand) könnte in einer Mischung von Polymeren in Gegenwart von Glycerin während experimenteller Arbeiten reduziert werden, z BC-basierte CH-Präparation. Dadurch wären die Ketten weniger an den Verschränkungsbedingungen beteiligt und die Wahrscheinlichkeit einer Bindungsbildung zwischen flexiblen Polymerketten steigt (Abb. 4b – d)27. Die positive Wirkung von Glycerin wurde auch für die BC-Membran berichtet, die zur Freisetzung von Glykolsäure zur Behandlung von Alterskrankheiten entwickelt wurde28. Die günstige Rolle von Glycerin in der BC/Glykolsäure (GA)/Glycerin (GL)-Membran wurde im Hinblick auf das Ausmaß der Kompaktheit der Membran diskutiert, die sich im Vergleich zu BC- und BC/GA-Membranen als weniger kompakt erwies Die strukturelle Porosität der BC/GA/GL-Membran war hoch28. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie stimmen mit der oben genannten Studie überein (der durchschnittliche Porendurchmesser von BC und BC-basiertem CH basierend auf der BET-Analyse wurde mit 8,5 nm bzw. 14,6 nm gemessen).

Polymere konnten mithilfe von Glycerin (CH2OH–CHOH–CH2OH) strukturell verändert werden. Die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen (Inter-/Intra-Verknüpfungen) wird schematisch für (a) Bakterienzellulose, (b) Bakterienzellulose plus Glycerin, (c) Calciumalginat plus Glycerin und (d) Gelatine plus Glycerin dargestellt.

Das in Abb. 5 gezeigte thermische Verhalten von BC und BC-basiertem CH zeigt, dass das Ausmaß der Gewichtsabnahme beim Erhitzungsprozess nahe beieinander lag, obwohl der Gewichtsverlust bei 390 °C bei BC im Vergleich zu um 12,7 % höher war CH mit Sitz in BC. Der Gewichtsverlust der reinen BC-Membran könnte tatsächlich in zwei Stufen auftreten: bei 100 °C entsprach die Wasserdehydratisierung (physikalisch absorbiert oder wasserstoffgebunden an BC etwa 3,5 %) und bei etwa 330 °C bis 390 °C entsprach der amorphe Bereich unterbrochen wird (Abb. 5)29. Die Änderungsrate der Masse der Verbindung in Abhängigkeit von der Temperatur ist in Abb. 5 auch als Ableitungskurve dargestellt. Die thermogravimetrische Ableitungskurve könnte verwendet werden, um die Temperatur zu bestimmen, bei der der größte Gewichtsverlust auftritt.

Thermische Stabilität von BC und BC-basiertem CH, dargestellt als TGA- und erste Ableitungskurven.

Große Wassermengen können in das dreidimensionale Netzwerk polymerer Hydrogele eingebaut werden, ohne deren strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Tests zur Beladung und Freisetzung von Arzneimitteln, wie z. B. Auflösungs-, Diffusions- und Transportprozesse von Arzneimitteln, werden durch die Volumenausdehnung von Polymeren oder die Quelleigenschaften von Hydrogelen erleichtert30. Die Wirkung von Quellmedien auf die Quellkapazität wurde unter Berücksichtigung eines breiten pH-Bereichs (pH 2,8–pH 9) untersucht. Die Ergebnisse der Studie zur Auswirkung des pH-Werts auf Cellulose-/Molke-Hydrogel zeigten, dass die maximale Quellkapazität erreicht wurde, wenn das Hydrogel in destilliertem Wasser mit einem pH-Wert von 7,2 (1115 %) eingeweicht wurde, während eine signifikante Abnahme der Quellkapazität beobachtet wurde, wenn das Hydrogel in ein Wasser gegeben wurde saures Medium bei pH 2,531. In der vorliegenden Studie wurde durch die Herstellung von Quellmedien mit unterschiedlichen pH-Werten der Einfluss des pH-Werts auf die Quellkapazität von BC-basiertem CH untersucht. Die maximale Quellkapazität des BC-basierten CH lag bei pH 9, während diese Kapazität des Hydrogels bei pH 2,8 (PBS als Quellmedium) auf ein Minimum reduziert wurde (Tabelle 1). Die in Abb. 6 dargestellte Kurve der Quellkapazität gegenüber der Zeit wurde zur Bestimmung der Quellrate verwendet. BC-basiertes CH reagiert als Mehrkomponentensystem unterschiedlich auf die Aufnahme von Flüssigkeiten aus seiner Umgebung bei unterschiedlichen pH-Werten.

Diagramm der Quellkapazität gegenüber der Zeit. Unter Verwendung von Gl. (2) wurde die Quellrate (\({\text{S}}_{\text{t}}\)) des BC-basierten CH für die Test-pH-Werte ermittelt.

Anionische/kationische Seitengruppen, die diesen Polymeren zugeordnet sind, abhängig von \({\text{p}}{\text{K}}_{\text{a}}\text{/p}{\text{K}}_ {\text{b}}\)-Werte relativ zum pH-Wert des Mediums sind stark am Quellungsprozess beteiligt32. Die elektrostatische Abstoßung zwischen den Polymerketten, die die gleichen Ladungen tragen, führt dazu, dass sich das Gel ausdehnt und die Struktur entfaltet, und dieses Verhalten im Mikromaßstab macht einige Räume für die Aufnahme von Flüssigkeit verfügbar. Darüber hinaus bietet die Bruchstelle des Eierkartons dieses Polymers bei der Verwendung von Calciumchlorid und im Vernetzungsprozess mit Natriumalginat auch Platz für Calciumionen, die durch Natriumionen ersetzt werden. Natürliche Polymerverschränkung schränkt die Flexibilität des Polymers ein und durch die Einführung von Glycerin (Zuckeralkohol) in das System können die neu gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen die ursprünglichen Bindungen aufbrechen und dadurch die Kettenfestigkeit verringern, während die behandelten Ketten Flexibilität spüren und die Struktur somit weniger anfällig für Starrheit ist. Dieses Verhalten zeigt, wie sich Polymereigenschaften als Reaktion auf die Umgebung ändern können. Beispielsweise wurde mit Fokus auf kontrollierbare Arzneimittelabgabesysteme ein auf Reize reagierendes Nanokomposit-Hydrogel (NCH) entwickelt, bei dem eine bestimmte Form von nanoskaligem Material (z. B. keramische Nanopartikel, kohlenstoffbasierte Nanopartikel usw.) eingebaut wurde. Die Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen dem nanoskaligen Reservoir, der Hydrogelmatrix und dem beladenen Arzneimittel sollte sowohl qualitativ als auch quantitativ erkannt werden33. Das Strukturverhalten dieser sogenannten intelligenten Hydrogele unterliegt dem Einfluss von Umweltfaktoren und kann verändert werden, um beispielsweise eine höhere Hydrophilie, ein anderes Quellvermögen usw. zu zeigen.34 Somit reagieren intelligente Hydrogele angemessen auf pH-Änderungen, und die Hydrogele können auf ein gewünschtes Niveau anschwellen und auch eine größere Menge an Medikament aufnehmen.

Das Kettenverschränkungskonzept ist auf Gelatine anwendbar, bei der es sich um ein denaturiertes Kollagenprodukt handelt. Gelatine ist eine Mischung aus Aminosäuren in Form von Polypeptiden (kurze/lange Peptidketten) und Wechselwirkungen zwischen –\({\text{CO}}{\text{O}}^{-}\) und –\( {\text{N}}{\text{H}}_{2}\) Gruppen von Gelatineketten scheinen die mechanische Festigkeit/thermische Stabilität des gebildeten Gelatinehydrogels positiv zu beeinflussen35. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten, wie wichtig es ist, die an die Gelatine gebundenen zweiwertigen Ionen zu entfernen, und es wurde gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen freigesetzten Carboxylatgruppen und Amingruppen die bevorzugten Bindungen waren. Um die mechanische und thermische Stabilität von Gelen auf Gelatinebasis zu verbessern, ohne sich auf das Konzept der Ionenentfernung zu konzentrieren, wurde auch die Zugabe von BC zum System unter Verwendung von Glutaraldehyd als Vernetzungsmittel praktiziert5. Es wurde festgestellt, dass die langfristige strukturelle Integrität der Gele auf Gelatinebasis, die zur Einkapselung von Kluyveromyces lactis hergestellt werden, mit der Verwendung von Glutaraldehyd als Vernetzungsmittel zusammenhängt36.

In einer Untersuchung zur BC-Gelatine-Kombination in Form eines Schwamms haben Shan et al. beobachteten, dass die Quellfähigkeit des erzeugten Schwamms viel größer war als die der Probe ohne Gelatine (3000 % gegenüber 1600 %). In Fällen, in denen das Komposit zur Verwendung in Anti-Aging-Hautpflegebehandlungen vorgesehen war und Glycerin in diesem System enthalten war, verzögerte sich die Freisetzung der Glykolsäure; Es wurde auch festgestellt, dass BC/Glykolsäure ein erhöhtes Quellvermögen aufweist28. In-vitro-Studien zeigten außerdem, dass die BC/Glykolsäure/Glycerin-Verbundmembran die endogene Synthese in NIH3T3-Zellen (Genexpression von Kollagen in den Zellen) wirksam stimulieren kann, d Zellteilung28. Weitere Forschungen auf diesem Gebiet konzentrierten sich auf ein transdermales Medikamentenverabreichungssystem, bei dem ionisch modifiziertes BC bei Zugabe zu Gelatine ein dauerhaftes System für die Gelatinematrix bieten und die Heilungsaktivität bei Verwendung eines hergestellten Pflasters verbessern könnte38.

Die Zetapotentialwerte von BC und BC-basiertem CH betrugen −2,2 bzw. −44,56 mV, was zeigt, dass die BC-Tendenz zur Koagulation/Flockung beträchtlich sein könnte. Allerdings war die Suspension von BC-basiertem CH sehr stabil und die Akzeptanz des MB als kationisches Modellarzneimittel war positiv.

Daher konzentrierten sich die Bemühungen im MB-Beladungsexperiment auf die Beschreibung der Ergebnisse im Hinblick auf die Arzneimitteldiffusion und -auflösung innerhalb des Polymernetzwerks. Bei drei verschiedenen Temperaturen wurden die Menge an MB, die an BC-basiertem CH adsorbiert ist, und der Einfluss der Kontaktdauer bestimmt (Abb. 7). Das Mischen der Flüssigkeiten, die MB-Wirkstoff/Polymer-Netzwerk enthalten, und das Verschwinden seines Konzentrationsgradienten erklärt, wie es möglich ist, eine gleichmäßige Geschwindigkeit der Arzneimittelverteilung zu erreichen. Ein weiterer Hinweis bezieht sich auf den MB-Arzneimitteltransfer über eine durchdringende Flüssigkeitsschicht um BC-basiertes CH, das als Schnittstelle zwischen zwei Einheiten fungiert und zeigt, wie die Arzneimitteltransferrate die Auflösungsrate des Arzneimittels im Polymernetzwerk bestimmen könnte.

Einfluss der Kontaktzeit auf die Adsorption von MB durch das BC-basierte CH bei verschiedenen Temperaturen: (a) 27 °C, (b) 37 °C und (c) 47 °C.

Die Gas-Feststoff-Adsorption, ursprünglich von Langmuir als Grenzflächenphänomen beschrieben, ist ein energetischer Prozess und die Gleichung ist für viele andere Anwendungen von Bedeutung, beispielsweise für die Arzneimitteladsorption im Zusammenhang mit Arzneimittelabgabesystemen. In der vorliegenden Studie wurden die linearisierten Formen der Langmuir- und Freundlich-Gleichungen verwendet:

Die relevanten Diagramme sind in den Zusatzinformationen dargestellt und die Werte für die Langmuir- und Freundlich-Konstanten sind in Tabelle 2 angegeben. Die Langmuir-Gleichung, die auf dem Konzept der Monoschicht-Adsorptionskapazität des Adsorbens basiert, wurde angemessen verwendet, um die maximale Adsorptionskapazität zu ermitteln (\({\ text{Q}}_{\text{m}}\)) des BC-basierten CH als Adsorbens für das MB in der wässrigen Lösung als Adsorbatmolekül. Der berechnete \({\text{Q}}_{\text{m}}\)-Wert war bei \({47} \, \circ \text{C}\) (366 mg/g) am höchsten, während Die Affinität des MB zum Adsorbens (d. h. die Langmuir-Konstante) war bei 27 °C höher als bei zwei anderen Testtemperaturen: \({\text{K}}_{{\text{L}}_{\text{ 47}}}\circ {\rm C} { < }{\text{K}}_{{\text{L}}_{\text{37}}} \circ {\rm C} { < }{ \text{K}}_{{\text{L}}_{\text{27}}} \circ {\rm C}\). Die Werte von \({\text{Q}}_{\text{m}}\) nahmen mit steigender Adsorptionstemperatur von 27 auf 37 °C ab, während die Werte von \({\text{Q}}_{\text{m }}\) nahm zu, als die Temperatur weiter auf 47 °C anstieg (Tabelle 2). Im Langmuir-Modell liegt der Schwerpunkt darauf, dass eine energetisch äquivalente Stelle als Monoschicht gleichmäßig auf der Adsorbensoberfläche verteilt ist und für die Herstellung chemischer Bindungen mit den Adsorbatmolekülen zur Verfügung steht. Diese Bindungen bei Chemisorption und Physisorption sind beide temperaturabhängig. BC-basiertes CH als Mehrkomponenten-Adsorbens enthielt Gelatine, und die Möglichkeit einer Gelierung bei einer höheren Temperatur als 27 °C wirkte sich negativ auf das Adsorbens aus, da die erhöhten Bewegungen des gelösten MB die Oberfläche besetzten und zur MB-Desorption führten. Die Gleichheit der Adsorptionsrate mit der Desorptionsrate ist ein zentraler Punkt bei der Definition der Langmuir-Gleichung und die Möglichkeit, diesen Zustand bei 37 °C aufrechtzuerhalten, wurde erheblich verringert und die MB-Desorption wurde begünstigt. Einige strukturelle Schwierigkeiten im Polymernetzwerk sind das Ergebnis des MB-Verlusts und des Auftretens leerer Stellen, die in einer Art Austauschprozess aktiv werden können und als austauschbare Stellen an der MB-Adsorption und dem \({\text{Q}} beteiligt sein könnten. }_{\text{m}}\) stieg bei 47 °C aufgrund der Beteiligung dieser neu gebildeten Stellen an der MB-Sorption. Die Fähigkeit des BC-basierten CH-Adsorbens, adsorbierte Moleküle zurückzuhalten, war jedoch gering und der \({\text{K}}_{\text{L}}\)-Wert war bei 47 °C am niedrigsten (Tabelle 2). . Die Ergebnisse des Langmuir-Modells könnten besser verstanden werden, wenn verschiedene Dosierungen des polymeren Adsorbens untersucht würden. Nach dem Langmuir-Konzept ist der \({\text{R}}_{\text{L}}\)-Wert eine Aneignerkonstante, die angibt, ob ein bestimmter Adsorptionsprozess geeignet ist oder nicht. Die in Tabelle 2 dargestellten \({\text{R}}_{\text{L}}\)-Werte zeigen, dass die MB-Adsorption an BC-basiertem CH günstig durchgeführt wurde. Die Ergebnisse der Verwendung des Freundlich-Modells sind ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt. Die Physisorption ist die Grundlage für diese empirische Gleichung, in der Ergebnisse in Bezug auf die Mehrschichtadsorption zusätzlich zur Monoschicht erläutert werden. Die Qualität der heterogenen Adsorptionsmitteloberfläche wird durch den 1/n-Wert als Intensitätsfaktor und \({\text{K}}_{\text{F}}\) als Adsorptionskapazität definiert. Der Wert von 1/n war bei 47 °C höher und erwartungsgemäß war die Adsorptionskapazität bei dieser Temperatur geringer. Es ist wichtig zu überwachen, wie das Adsorbens hinsichtlich seiner Beschaffenheit auf das Adsorbat reagiert. Die physikalische Adsorption wird durch Van-der-Waals-Kräfte erklärt, die durch die Abstände zwischen den beteiligten Atomen/Molekülen charakterisiert werden und bei hohen Temperaturen weniger stark werden. Der Wert von \({\text{K}}_{\text{F}}\) war bei 47 °C im Vergleich zu anderen Testtemperaturen niedriger (mehr als 75 % Abnahme der Adsorptionskapazität) (Tabelle 2).

Die Platzierung der Langmuir-Konstante (\({\text{K}}_{\text{L}}\)) anstelle von \({\text{K}}_{\text{eq}}\) ist problematisch und das Problem wurde in mehreren in der Literatur veröffentlichten Arbeiten diskutiert und der Ansatz von Ghosal et al. wurde in der vorliegenden Studie berücksichtigt39: Langmuir-Konstante (L/mg) multipliziert mit dem Molgewicht von MB (mg/mol), da das Adsorbat anstelle der in Gleichung genannten Gleichgewichtskonstante platziert wurde. (8). Aus der Van't-Hoff-Gleichung berechnete thermodynamische Größen sind in Abb. 8a dargestellt. Ein negativer Wert der Enthalpieänderung (−99,953 \({\text{kJ}} \, {\text{mo}}{\text{l}}^{-{1}}\)) zeigt an, dass die Natur von die Adsorption verlief exotherm, das heißt, es wird während des Prozesses Wärme freigesetzt. Die Entropieänderung ist nicht viel kleiner als Null (−0,237 \({\text{k}}{\text{J}} \, {\text{mo}}{\text{l}}^{-{1} } {\text{K}}^{-{1}}\)) und weist indirekt darauf hin, dass die MB-Sorption auf der BC-basierten CH-Oberfläche (an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche) an der Grenze zwischen zwei Zonen eines Mehr liegt ungeordnete Schnittstelle zu einer weniger ungeordneten Schnittstelle. Ein weiterer Hinweis gilt der Spontaneität des Adsorptionsprozesses, der unter dem Einfluss der Temperatur steht (Abb. 8a): \(\Delta {\text{G}}_{\text{47}} \circ C > \Delta { \text{G}}_{\text{37}} \circ C > \Updelta {\text{G}}_{\text{27}} \circ C\).

(a) Das thermodynamische Van't-Hoff-Diagramm und (b) die Arrhenius-Gleichung zur Darstellung von \({{\text{ln}}{\text{k}}}_{2}\) gegen 1/T für die Adsorption von MB auf BC-basiertes CH.

Die erhaltenen Adsorptionsgeschwindigkeitskonstanten wurden zur Berechnung der Aktivierungsenergie (\({\text{E}}_{\text{a}}\text{)}\) gemäß der Arrhenius-Gleichung verwendet (siehe ergänzende Informationen):

Die berechnete Aktivierungsenergie von 30,97 kJ/mol weist darauf hin, dass die Geschwindigkeit der MB-Adsorption auf dem BC-basierten CH-Adsorbens relativ hoch war40. Die Freundlich-Adsorption, bei der sowohl Monoschicht- (Chemisorption) als auch Mehrschicht- (Physisorption) Bedeckung beteiligt sind, scheint im Vergleich zur Langmuir-Gleichung in einer besseren Position zur Beschreibung der Ergebnisse zu sein (Abb. 8b).

Das in Abb. 9 dargestellte Profil der kumulativen Freisetzung von MB aus BC-basierten CH-Proben bei vier Test-pH-Werten zeigt, dass durch die Erhöhung des pH-Werts von 2,8 auf pH 9 die endgültige kumulative MB-Freisetzung (CR) aus den Testkompositen zunahm ( \({\text{C}}{\text{R}}_{\text{pH 2,8}} \, {=} \, \text{42,8}\%\), \({\text{C} }{\text{R}}_{\text{pH 6}} \, {=} \, \text{63} \%\), \({\text{C}}{\text{R}} _{\text{pH 7,4}} \, {=} \, \text{80}\%\) und \({\text{C}}{\text{R}}_{\text{pH 9 }} \, {=} \, \text{84.5}\%\)). Dieser Trend folgt positiv den Ergebnissen des Quellverhaltens, wie in Abb. 6 dargestellt.

Kumulative MB-Freisetzung aus BC-basiertem CH bei verschiedenen pH-Werten.

Ein akzeptabler Ansatz zur Vorhersage der Arzneimittelfreisetzung aus einem Netzwerk ist die Verwendung geeigneter mathematischer Modelle. Die für die MB-Freisetzung aus dem BC-basierten CH erhaltenen Daten wurden in fünf verschiedene Modelle eingepasst (Gl. 9–13). Auf diese Weise wurde das kinetische Verhalten des MB-Freisetzungsmechanismus erklärt.

Die in den Freisetzungsexperimenten gewonnenen Daten wurden auch unter Verwendung des Hopfenberg-Modells verarbeitet, das auf der Grundlage der Oberflächenerosion von Wirkstoffträgern entwickelt wurde (Tabelle 3). Natürliche Polymere werden bei der Synthese der BC-basierten CHs verwendet, und In-vivo-Studien zur MB-Freisetzung aus diesen Hydrogelen könnten einige nützliche Ergebnisse liefern.

Ein weiterer Hinweis bestand darin, das Ausmaß der Anwendung des Diffusionsmechanismus zu untersuchen, und dies basierte auf der Interpretation des Freisetzungsexponenten „n“, der aus den Anpassungsdaten in das Korsmeyer-Peppas-Modell berechnet wurde15,41: n < 0,5 – quasi-Fickscher Diffusionsmechanismus, n = 0,5 – Diffusionsmechanismus, 0,5 < n < 1 – nicht-Ficksche Diffusion, n = 1 – Fall-II-Transport/Freisetzung nullter Ordnung und n > 1 – Superfall-II-Transport.

Um die Kinetik der Arzneimittelfreisetzung aus einem Polymernetzwerk zu beschreiben, sind die Auflösungs-, Diffusions- und Transportmechanismen des Arzneimittels beteiligt, während Überlegungen zur Netzwerkabsorptionskapazität, zum Quellverhalten, zur Erosion und sogar zum Abbau erforderlich sind. Die Konzentration auf den Wert des Freisetzungsexponenten „n“ im Korsmeyer-Peppas-Modell liefert nicht genügend Informationen über die Freisetzung.

Es war durchaus sinnvoll, neben der linearen Anpassung auch eine nichtlineare Anpassung zu berücksichtigen, um verschiedene kinetische Modelle zu behandeln, die in der vorliegenden Studie für die MB-Freisetzung verwendet wurden (Tabelle 3).

Dies ist eine berechtigte Erwartung, dass bei jedem Datenerfassungsprozess Fehler auftreten, insbesondere wenn man sich auf eine Forschungsstudie konzentriert, die auf der Grundlage experimenteller Arbeiten durchgeführt wird, um Ergebnisse zur Beziehung zwischen mehreren Variablen zu erhalten. \({\text{R}}^{2}\), χ2, RMSE und AIC als Fehlerkriterien wurden in der vorliegenden Studie verwendet, um den Fehler für den Modellvorhersageprozess (nichtlineare Behandlung von Daten) abzuschätzen, wobei jeweils Das Modell wurde verwendet, um die Leistung von BC-basiertem CH bei der Freisetzung von MB in Freisetzungsmedien bei verschiedenen pH-Werten zu quantifizieren. Die rationale Grundlage für den angemessenen Umgang mit solchen Daten ist die Verwendung der TOPSIS-Methode, bei der der Algorithmus durch die Beschreibung eines einfachen mathematischen Ausdrucks eine logische Erklärung für die ausgewählte Variable liefern kann42. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse basieren auf der Definition einer idealen Lösung, und das Ausmaß der Nähe der Testvariablen zur idealen Lösung zeigt eine bevorzugte Position einer Variablen gegenüber anderen Testvariablen. Die hohe Flexibilität des TOSIS-Konzepts hilft dabei, effizient am Entscheidungsprozess teilzunehmen. Beispielsweise zeigen die in Abb. 10 gezeigten TOPSIS-Ergebnisse, dass der Wert von \({\text{p}}_{\text{i}}\) als Modellleistungsqualität (Gl. 24) höher als 0,88 war Korsmeyer-Peppas-Modell bei allen pH-Werten. Das Higuchi-Modell hatte bei allen Test-pH-Werten einen niedrigeren \({\text{p}}_{\text{i}}\)-Wert (< 0,29). Durch Erhöhen des pH-Werts des Freisetzungsmediums von 2,8 auf pH 9 zeigte der \({\text{p}}_{\text{i}}\)-Wert für das kinetische Modell erster Ordnung einen abnehmenden Trend von 0,68 auf 0,45.

Diagramme der Leistungswerte (\({\text{p}}_{\text{i}}\)), die auf der Grundlage des TOPSIS-Algorithmus berechnet wurden, der für die Bewertung des Freisetzungskinetikmodells bei verschiedenen pH-Werten verwendet wird: (a) Korsmeyer-Peppas, (b) Higuchi, (c) Hopfenberg, (d) Gleichung nullter Ordnung und (e) Gleichung erster Ordnung.

Durch die Änderung der Gewichtung jedes Kriteriums im Kriteriensatz, der zur Bewertung der Modellleistung verwendet wird, ändern sich die Empfindlichkeiten der Freisetzungsmodelle (Alternativen) bei unterschiedlichen pH-Werten, und dies scheint Einfluss auf die TOPSIS-Ergebnisse zu haben.

Die gebildeten BC-basierten CHs resultierten aus physikalisch vernetztem BC, Alg und Gl, wobei durch die Verwendung von Glycerin die Ketten der Polymere flexibel und anpassbar waren, um sich strukturell zu verändern. Mithilfe instrumenteller Analysen wurde das Hydrogel strukturell charakterisiert. Die Verhaltensfunktionen entwickelter Hydrogele aufgrund von Quellung, Adsorptionskapazität und thermodynamischen Eigenschaften konnten quantitativ erklärt werden. MB-Freisetzungsmedien wurden bei verschiedenen pH-Werten hergestellt und unter Verwendung von fünf Modellen wurde die Freisetzungskinetik charakterisiert. Der Datenanpassungsprozess wurde linear und nichtlinear durchgeführt, wobei sich der TOPSIS-Algorithmus als hilfreich bei der Entscheidungsfindung über die Modellvorhersagbarkeit in Bezug auf den pH-Wert erwies. Die Verwendung des TOPSIS-Algorithmus scheint die Ergebnisinterpretation zu unterstützen, insbesondere wenn Daten nichtlinear behandelt wurden und unterschiedliche Fehlerkriterien wie \({\text{R}}^{2}\), χ2, RMSE usw. verwendet wurden Aufgrund der erzielten Ergebnisse könnte das hergestellte Verbundhydrogel ein geeigneter Kandidat für Anwendungen zur Arzneimittelabgabe sein.

Alle während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Daten sind im eingereichten Manuskript und seinen Zusatzinformationsdateien enthalten. Weitere Rohdaten sind auch im figshare-Repository verfügbar, https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21725303.

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Abteilung für Chemieingenieurwesen, Amirkabir University of Technology (Teheran Polytechnic), Teheran, Iran

Touraj Amrabadi, Seyed Mohammad Amin Ojagh und Farzaneh Vahabzadeh

Fakultät für Chemieingenieurwesen, Technische Universität Urmia, Urmia, West-Aserbaidschan, Iran

Elham Jalilnejad

Fakultät für Chemie, McGill University, Montreal, QC, Kanada

Seyed Mohammad Amin Ojagh

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TA: Theorie, Untersuchung, Verfassen von Originalentwürfen, mathematische Modellierung, lineare und nichtlineare Analyse von Daten, Neugier bei der Ausführung der TOPSIS-Methode. EJ: kritische Durchsicht des Manuskripts, Interpretation, Betreuung. SO: Kritische Kommentare zum Manuskript, Überprüfung und Bearbeitung des Manuskripts. FV: Projektadministration, Prüfung und Bearbeitung des Manuskripts, Betreuung, Fertigstellung der Arbeit.

Korrespondenz mit Elham Jalilnejad.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Amrabadi, T., Jalilnejad, E., Ojagh, SMA et al. Anwendung des TOPSIS-Algorithmus zur Beschreibung der Leistung von Verbundhydrogelen auf bakterieller Zellulosebasis bei der Einbindung von Methylenblau als Modellarzneimittel. Sci Rep 13, 2755 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29865-6

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Eingegangen: 07. Dezember 2022

Angenommen: 11. Februar 2023

Veröffentlicht: 16. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29865-6

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