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

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
- Simona-Maria Tatarusanu
- Alexandru Sava
- Bianca-Stefania Profire
- Tudor Pinteala
- Alexandra Jitareanu
- Andreea-Teodora Iacob
- Florentina Lupascu
- Natalia Simionescu
- Irina Rosca
- Lenuta Profire
Редактор
- Giulia Bonacucina
Ссылки
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Voljč T., Semenič D. Contribution of Topical Agents to Wound Healing. In: Aghaei S., editor. Recent Advances in Wound Healing. IntechOpen; London, UK: 2022.
- 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.
- Bowers S., Franco E. Chronic Wounds: Evaluation and Management. Am. Fam. Physician. 2020;101:159–166.
- Wound-Management-Guidelines. [(accessed on 17 January 2023)]. Available online: https://www.bcpft.nhs.uk/documents/policies/w/1444-wound-management-guidelines/file
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.