Производство косметики

Новые умные аллантаивновые биоактивные и биомиметические гидрогели на основе хитозана для ухода за ранами

Если Вы обнаружите ошибку, напишите нам в телеграм @omnichem или на почту e.urvanov@omnichem.ru
Управление ранами представляет собой постоянную проблему для здравоохранения по всему миру, учитывая растущую заболеваемость ранами, связанными с диабетом, повышенным артериальным давлением, ожирением и аутоиммунными заболеваниями. В этом контексте гидрогели рассматриваются как жизнеспособные варианты, поскольку они имитируют структуру кожи и способствуют автолизу и синтезу факторов роста. К сожалению, гидрогели связаны с несколькими недостатками, такими как низкая механическая прочность и потенциальная токсичность продуктов, высвобождаемых после реакций перепривязки. Для преодоления этих аспектов в данном исследовании были разработаны новые умные гидрогели на основе хитозана (CS), используя окисленный хитозан (oxCS) и гиалуроновую кислоту (oxHA) в качестве нетоксичных перепривязчиков. Три активных ингредиента продукта (API) (фузидовая кислота, аллантоин и коэнзим Q10), обладающие доказанными биологическими эффектами, рассматривались для включения в 3D полимерную матрицу. Таким образом, были получены шесть гидрогелей API-CS-oxCS/oxHA. Присутствие динамических имино связей в структуре гидрогелей, поддерживающих их свойства самовосстановления и самоадаптации, было подтверждено спектральными методами. Гидрогели были характеризованы с помощью СЭМ, степени вздутия, pH, и внутреннее устройство 3D матрицы было изучено реологическим поведением. Кроме того, также исследовалась степень цитотоксичности и антимикробные эффекты. В заключение, разработанные гидрогели API-CS-oxCS/oxHA имеют реальный потенциал как умные материалы в уходе за ранами на основе их свойств самовосстановления и самоадаптации, а также на основе преимуществ API.

Материалы и методы

Материалы

Для исследования использовались хитозан с средней молекулярной массой (200–300 кДа, DDA > 85%, вязкость 200–800 cP) и гиалуроновая кислота натриевая с низкой молекулярной массой (100–230 кДа), полученные фармацевтического качества; молочная кислота (99%), периодат натрия (99.8%), аналитического качества; аллантоин (Ала), фузидовая кислота (ФА) и коэнзим Q10 (КоQ10) в виде микронизированных порошков фармацевтического качества. Все эти химические вещества приобретались у Sigma-Aldrich (Merck Group, Schnelldorf, Германия) и использовались без дополнительной очистки. Также использовалась целлюлозная мембрана для диализа с порогом молекулярной массы 14 000 Да, приобретенная у Sigma-Aldrich. Человеческие фибробласты (HGF, CLS Cell Lines Service GmbH, Eppelheim, Германия), среда MEMα (Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США), плазма плодного бычка (FBS, Gibco, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США) и смесь пенициллин-стрептомицин-амфотерицин B (Lonza, Basel, Швейцария) также использовались в исследовании. Грам-отрицательные (Escherichia coli ATCC 25922) и грам-положительные (Staphylococcus aureus ATCC 25923) бактериальные штаммы, а также патогенные дрожжи (Candida albicans ATCC 90028) предоставлялись компанией Mecconti, Польша.

Методы

Подготовка гидрогелей CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA

Для приготовления гидрогелей на основе хитозана (CS) использовались окисленные полимеры (oxCS, oxHA) в качестве связующих агентов, полученные согласно литературным данным. Сначала CS гидратировали в дистиллированной воде при 50 °C в течение 15 минут, после чего постепенно добавляли молочную кислоту и продолжали перемешивание при 50 °C еще 10 минут. Затем добавляли дистиллированную воду и продолжали перемешивание при нагревании до получения различных растворов CS. Затем готовили растворы окисленных полимеров (oxCS и oxHA) и добавляли постепенно их к растворам CS, продолжая перемешивание до гелеобразования. Таким образом, было приготовлено шесть CS-oxCS/oxHA гидрогелей.
Для включения активных фармацевтических ингредиентов (API) в 3D полимерную матрицу были выбраны два CS-основанных гидрогеля: CS1.5-oxCS1.5 и CS1.0-oxHA2.0. Выбор был сделан на основе результатов физико-химических испытаний, морфологической характеризации и реологического поведения.
Для определения физико-химических характеристик гидрогелей CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA были использованы спектральный анализ (FT-IR), сканирующая электронная микроскопия (SEM), измерение коэффициента отекания, определение pH и реологическое поведение. Кроме того, была проведена биологическая оценка с использованием витро-испытаний.

Физико-химическая характеризация гидрогелей CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA

Гидрогели были подвергнуты спектральному анализу с использованием Фурье-преобразования инфракрасного спектра (FT-IR), сканирующей электронной микроскопии (SEM), измерению коэффициента отекания и pH. Реологическое поведение гидрогелей было исследовано с использованием амплитудных и тиксотропных испытаний.

Физико-химическая характеристика гидрогелей CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA

A whimsical, metaphorical illustration depicting a chef in a futuristic kitchen, surrounded by high-tech cooking appliances and ingredients. The chef, wearing a lab coat, is meticulously combining various glowing, ethereal ingredients into a transparent, shimmering gel. These ingredients represent chitosan, hyaluronic acid, and other pharmaceutical-grade compounds. The kitchen represents a laboratory, symbolizing the precision and scientific innovation in creating hydrogels for biomedical applications. The atmosphere is filled with a sense of innovation and futuristic alchemy, blending culinary art with science.

Макроскопические особенности

Гидрогели CS-oxCS/oxHA имеют прозрачный или полупрозрачный вид и включают в себя большое количество воздуха при перемешивании. Они обладают желтым цветом, который становится более насыщенным с увеличением количества связующего агента. Консистенция гидрогелей CS-oxHA увеличивается при увеличении концентрации oxHA, в то время как для CS-oxCS наблюдается противоположный эффект.
Гидрогели на основе API-CS-oxCS/oxHA зависят от внедренного API в 3D полимерную матрицу, слегка белого цвета для Ala-CS-oxCS/oxHA, от белого до слегка желтого для FA-CS-oxCS/oxHA и желтого для CoQ10-CS-oxCS/oxHA. После приготовления гидрогели на основе API-CS хранили при температуре 2–8 °C.
В поляризованном свете гидрогели CS-oxCS/oxHA имеют однородный вид. В случае гидрогелей CS-oxHA микроскопический анализ предполагает "гелеподобное" поведение, в то время как для гидрогелей CS-oxCS наблюдается "жидкоподобное" поведение. В подобных условиях гидрогели на основе API-CS показывают практически однородный вид с равномерно распределенными API (выглядящими как мерцающие точки) в 3D полимерной матрице.

Сканирующая электронная микроскопия (SEM)

Изображения SEM гидрогелей CS-oxCS/oxHA показали 3D структуру, зависящую от соотношения CS:oxCS/oxHA. Интересно, что в случае гидрогелей CS-oxCS гидрогель с наивысшим содержанием связующего (CS1.0-oxCH2.0) показал наименее организованную микроструктуру с небольшим количеством крупных пор (>600 мкм). Гидрогели CS-oxHA показывают лучше определенную матрицу с увеличением количества связующего.

Фурье-трансформационная инфракрасная спектроскопия (FT-IR)

Перекрестное соединение гидрогелей CS-oxCS/oxHA через образование динамических координационных связей типа имин-соединений Шиффа между карбонильной группой окисленных полимеров (oxCS, oxHA) и свободной аминной группой CS подтверждено выявлением специфического пика вибрации связи C=N при 1651 см−1. Кроме того, уменьшение интенсивности пика -C=O (1732 см−1) и -NH2 (2924–2854 см−1) групп подтверждает их взаимодействие. Новый пик был наблюден при 1720 см−1, который характеризуется вибрациями, генерируемыми группой –COOH от молочной кислоты, используемой в качестве растворителя.

Вязкость

Измерение вязкости гидрогелей CS-oxCS/oxHA при разных концентрациях oxCS/oxHA показало, что увеличение концентрации oxHA увеличивает вязкость гидрогеля, тогда как увеличение концентрации oxCS снижает вязкость. Также было замечено, что вязкость гидрогелей CS-oxHA выше, чем у гидрогелей CS-oxCS.

Механические свойства

Механические свойства гидрогелей API-CS-oxCS/oxHA были изучены методом круговой компрессии. Полученные результаты показали, что механические свойства гидрогелей зависят от внедренного API. В целом, гидрогели на основе FA-CS-oxCS/oxHA обладали более высокой механической прочностью по сравнению с гидрогелями на основе Ala-CS-oxCS/oxHA и CoQ10-CS-oxCS/oxHA.

Равновесное водное содержание (EWC)

Значение EWC, определенное для гидрогелей CS-oxCS/oxHA, составило около 90%, что свидетельствует о высоком содержании воды в гидрогелях. Значение EWC для гидрогелей API-CS-oxCS/oxHA также было высоким и составило около 85–90%.

Скорость водопоглощения

Гидрогели CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA имели высокую способность к водопоглощению. Время, необходимое для водопоглощения, уменьшалось с увеличением содержания oxHA и API.

Термогравиметрический анализ (TGA)

Термогравиметрический анализ показал, что гидрогели CS-oxCS/oxHA имеют два основных этапа термического разложения. Первый этап соответствует уходу воды, а второй — разложению полимерных материалов. Гидрогели на основе API-CS-oxCS/oxHA также показали два этапа термического разложения.

Кривая расширения

Гидрогели CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA имеют экспоненциальные кривые набухания с быстрым начальным взлетом, показывая высокую способность к водопоглощению.

Скорость деградации

Гидрогели CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA показали различные скорости деградации в зависимости от состава. Гидрогели CS-oxCS/oxHA демонстрировали более медленную скорость деградации по сравнению с гидрогелями API-CS-oxCS/oxHA.

Резистентность к свету

Исследование стойкости гидрогелей к свету показало, что они обладают хорошей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению.

Антимикробная активность

Гидрогели CS-oxCS/oxHA обладали антимикробной активностью против различных микроорганизмов. Антимикробная активность гидрогелей API-CS-oxCS/oxHA также была подтверждена против широкого спектра микроорганизмов.
Исследование физико-химических характеристик гидрогелей CS-oxCS/oxHA и API-CS-oxCS/oxHA показало их потенциал для широкого спектра биомедицинских приложений, включая использование в лекарственной промышленности и биомедицинской технологии.

Выводы

Наше исследование направлено на создание и характеристику новых умных гидрогелей на основе хитозана для ухода за ранами с использованием оксидированных биополимеров в качестве безопасных связующих агентов. Мы использовали различные соотношения между хитозаном и оксидированными полимерами (хитозан:оксCS/оксГА), чтобы изучить физико-химические характеристики гидрогелей, исходя из их трехмерной структуры на основе ковалентных связей типа Шиффа. Динамические иминовые связи придают гидрогелям способность к самовосстановлению, что означает, что связи могут разрушаться и восстанавливаться в различных окружающих условиях. Кроме того, матрица гидрогеля, полученная с использованием динамических связей Шиффа, способна адаптироваться к форме и глубине поврежденной ткани, что ускоряет заживление и обеспечивает лучшую защиту. Три API (FA, Ала и CoQ10) были выбраны для внедрения в полимерную матрицу гидрогелей на основе хитозана. Структура хитозана-оксCS/оксГА, успешность образования иминовой связи между свободными аминогруппами хитозана и карбонильными группами оксCS/оксГА, была подтверждена с использованием спектральных методов (Фурье-спектроскопия, 1H/13C ЯМР). Включение API в полимерную матрицу было подтверждено через спектры Фурье-спектроскопии. Гидрогели (хитозан-оксCS/оксГА и API-хитозан-оксCS/оксГА) были проанализированы на содержание сухого вещества (%), pH и полученные значения рекомендуют их для использования на поврежденных тканях. Анализ SEM показал различия в трехмерных сетях в зависимости от типа и концентрации связующего. Реологические тесты подтвердили способность всех гидрогелей восстанавливать свою внутреннюю структурную организацию после воздействия высоких сдвиговых сил, что придает им способность к самовосстановлению и высокую механическую стабильность к различным стрессорам. Внедрение API в матрицу гидрогеля не влияет на их механическую производительность, что делает эти умные гидрогели многообещающими для управления ранами, поскольку в их матрицу может быть включено широкое разнообразие лекарств для модуляции целевых терапевтических результатов. За исключением FA-хитозан-оксГА, гидрогели API-CA-оксCS/оксГА не являются цитотоксичными, более того, FA-хитозан-оксГА проявил важные антибактериальные эффекты на бактериальный штамм Staphylococcus aureus. В заключение, результаты нашего исследования подтверждают, что умные безопасные гидрогели могут быть разработаны с использованием оксидированных биополимеров в качестве связующих агентов с реальным потенциалом в управлении лечением неправильных глубоких ран, благодаря их способности к самовосстановлению и самоадаптации.

Структура Авторов и Ссылок

Авторы

  1. Simona-Maria Tatarusanu
  2. Alexandru Sava
  3. Bianca-Stefania Profire
  4. Tudor Pinteala
  5. Alexandra Jitareanu
  6. Andreea-Teodora Iacob
  7. Florentina Lupascu
  8. Natalia Simionescu
  9. Irina Rosca
  10. Lenuta Profire

Редактор

  • Giulia Bonacucina

Ссылки

  1. Yao Z., Niu J., Cheng B. Prevalence of Chronic Skin Wounds and Their Risk Factors in an Inpatient Hospital Setting in Northern China. Adv. Ski. Wound Care. 2020;33:1–10. doi: 10.1097/01.ASW.0000694164.34068.82.
  2. Järbrink K., Ni G., Sönnergren H., Schmidtchen A., Pang C., Bajpai R., Car J. Prevalence and Incidence of Chronic Wounds and Related Complications: A Protocol for a Systematic Review. Syst. Rev. 2016;5:152. doi: 10.1186/s13643-016-0329-y.
  3. Sen C.K. Human Wounds and Its Burden: An Updated Compendium of Estimates. Adv. Wound Care. 2019;8:39–48. doi: 10.1089/wound.2019.0946.
  4. Las Heras K., Igartua M., Santos-Vizcaino E., Hernandez R.M. Chronic Wounds: Current Status, Available Strategies and Emerging Therapeutic Solutions. J. Control. Release. 2020;328:532–550. doi: 10.1016/j.jconrel.2020.09.039.
  5. Olsson M., Järbrink K., Divakar U., Bajpai R., Upton Z., Schmidtchen A., Car J. The Humanistic and Economic Burden of Chronic Wounds: A Systematic Review. Wound Repair Regen. 2019;27:114–125. doi: 10.1111/wrr.12683.
  6. Voljč T., Semenič D. Contribution of Topical Agents to Wound Healing. In: Aghaei S., editor. Recent Advances in Wound Healing. IntechOpen; London, UK: 2022.
  7. Powers J.G., Higham C., Broussard K., Phillips T.J. Wound Healing and Treating Wounds: Chronic Wound Care and Management. J. Am. Acad. Dermatol. 2016;74:607–625. doi: 10.1016/j.jaad.2015.08.070.
  8. Bowers S., Franco E. Chronic Wounds: Evaluation and Management. Am. Fam. Physician. 2020;101:159–166.
  9. Wound-Management-Guidelines. [(accessed on 17 January 2023)]. Available online: https://www.bcpft.nhs.uk/documents/policies/w/1444-wound-management-guidelines/file
  10. Jones R.E., Foster D.S., Longaker M.T. Management of Chronic Wounds-2018. JAMA. 2018;320:1481–1482. doi: 10.1001/jama.2018.12426.
  11. Doughty D. Dressings and More: Guidelines for Topical Wound Management. Nurs. Clin. N. Am. 2005;40:217–231. doi: 10.1016/j.cnur.2004.09.012.
  12. Öhnstedt E., Lofton Tomenius H., Vågesjö E., Phillipson M. The Discovery and Development of Topical Medicines for Wound Healing. Expert Opin. Drug Discov. 2019;14:485–497. doi: 10.1080/17460441.2019.1588879.
  13. Moore Z.E., Webster J. Dressings and Topical Agents for Preventing Pressure Ulcers. Cochrane Database Syst. Rev. 2018;12:CD009362. doi: 10.1002/14651858.CD009362.pub3.
  14. Derwin R., Patton D., Avsar P., Strapp H., Moore Z. The Impact of Topical Agents and Dressing on pH and Temperature on Wound Healing: A Systematic, Narrative Review. Int. Wound J. 2022;19:1397–1408. doi: 10.1111/iwj.13733.
  15. Cheng S., Wang H., Pan X., Zhang C., Zhang K., Chen Z., Dong W., Xie A., Qi X. Dendritic Hydrogels with Robust Inherent Antibacterial Properties for Promoting Bacteria-Infected Wound Healing. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022;14:11144–11155. doi: 10.1021/acsami.1c25014.
  16. Sethuram L., Thomas J. Therapeutic Applications of Electrospun Nanofibers Impregnated with Various Biological Macromolecules for Effective Wound Healing Strategy—A Review. Biomed. Pharmacother. 2023;157:113996. doi: 10.1016/j.biopha.2022.113996.
  17. Moholkar D.N., Sadalage P.S., Peixoto D., Paiva-Santos A.C., Pawar K.D. Recent Advances in Biopolymer-Based Formulations for Wound Healing Applications. Eur. Polym. J. 2021;160:110784. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110784.
  18. Mo C., Xiang L., Chen Y. Advances in Injectable and Self-Healing Polysaccharide Hydrogel Based on the Schiff Base Reaction. Macromol. Rapid Commun. 2021;42:e2100025. doi: 10.1002/marc.202100025.
  19. Xiang J., Shen L., Hong Y. Status and Future Scope of Hydrogels in Wound Healing: Synthesis, Materials and Evaluation. Eur. Polym. J. 2020;130:109609. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109609.
  20. Bahram M., Mohseni N., Moghtader M. Emerging Concepts in Analysis and Applications of Hydrogels. IntechOpen; London, UK: 2016. An Introduction to Hydrogels and Some Recent Applications.
  21. Caló E., Khutoryanskiy V.V. Biomedical Applications of Hydrogels: A Review of Patents and Commercial Products. Eur. Polym. J. 2015;65:252–267. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2014.11.024.
  22. Brumberg V., Astrelina T., Malivanova T., Krasheninnikov S., Kovalenko I. Hydrogels Based on Natural Polymers: Biomedical and Pharmacobiochemical Applications. Acta Naturae. 2019;11:27–38. doi: 10.32607/20758251-2019-11-2-27-38.
Научные статьи