Антибактериальное раневое покрытие на основе хитозана и повидона, полученное методом 3D-печати

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Целью настоящего исследования являлись разработка антимикробного раневого покрытия, изготовленного методом 3D-печати, на основе хитозана и поливинилпирролидона и последующее исследование его свойств in vitro и in vivo с целью улучшения исходов лечения глубоких ожогов.

Материалы и методы. Полученное покрытие состояло из 4 % гидрогеля среднемолекулярного хитозана с добавлением 1 % повидон-йода и дермальных фибробластов. После трансплантации область раны с покрытием защищалась наложением пленки «Фолидерм». Для формирования покрытия использовался экструзионный 3D-биопринтер, параметры печати которого были определены экспериментально. Полученные образцы первоначально детально изучены in vitro. Были выполнены сканирующая электронная микроскопия для оценки микроархитектуры покрытия и ее взаимодействия с дермальными фибробластами, колориметрический тест для оценки метаболической активности клеток и анализа цитотоксичности, анализ антимикробной активности по отношению к эталонным штамам Staphylococcus aureus. Далее выполнен эксперимент по оценке свойств покрытия in vivo. Исследование проведено на 19 самцах крыс линии Wistar. В качестве наносимой травмы выбран глубокий термический контактный ожог (омертвление всех слоев кожи и подкожно-жировой ткани) площадью около 20 см2. Животных разделили на три группы: опытную (с применением разработанного покрытия), сравнительную (с использованием традиционного и широко распространенного метода лечения мазью «Левомеколь») и контрольную (без лечения). Период наблюдения составил 38 сут.

Результаты исследования показали, что разработанное покрытие имеет высокую биосовместимость, атравматичность, эластичность и адгезию к ране. Использование хитозана позволило получить пористую структуру, причем поры образуют каналы, расположенные параллельно друг другу. Клетки в составе покрытия распластаны и хорошо распределены по поверхности матрицы (по стенкам пор). Добавление в состав полимера повидон-йода в концентрации 1 % позволило добиться высокой противомикробной активности без значимого влияния на активность включенных в состав клеток. Эксперимент c применением покрытия для лечения глубокого термического ожога показал, что разработанное покрытие оказывало положительное влияние на ход раневого процесса, заключающееся в более высокой скорости эпителизации и значительно меньшей частоте возникновения инфекционных осложнений на фоне других экспериментальных групп. При гистологическом исследовании опытная группа также превосходила контрольную и группу сравнения по качеству формируемой грануляционной ткани, числу новообразованных капилляров и выраженности местного воспалительного процесса.

Об авторах

Константин Петрович Головко

Военно-медицинская академия; Санкт-Петербургский государственный университет

Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1584-1748

докт. мед. наук, доцент

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Владимир Евгеньевич Юдин

Институт высокомолекулярных соединений РАН

Email: yudin@hq.macro.ru
ORCID iD: 0000-0002-5517-4767

докт. физ.-мат. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Дмитрий Валерьевич Овчинников

Военно-медицинская академия

Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8408-5301

канд. мед. наук, доцент

Россия, Санкт-Петербург

Илья Александрович Барсук

Военно-медицинская академия

Автор, ответственный за переписку.
Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3728-9966
Россия, Санкт-Петербург

Елена Михайловна Иванькова

Военно-медицинская академия; Институт высокомолекулярных соединений РАН

Email: ivelen@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4823-0695

канд. физ.-мат. наук

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Виктор Николаевич Александров

Военно-медицинская академия; Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет

Email: vnaleks9@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-9229-5293

докт. мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Юлия Александровна Нащекина

Санкт-Петербургский государственный университет; Институт цитологии РАН

Email: nashchekina.yu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4371-7445

канд. биол. наук

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Екатерина Михайловна Гордина

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена

Email: emgordina@win.rniito.ru
ORCID iD: 0000-0003-2326-7413

канд. мед. наук

Россия, Санкт-Петербург

Светлана Анатольевна Божкова

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена

Email: info@rniito.ru
ORCID iD: 0000-0002-2083-2424

докт. мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Fan L., Yang H., Yang J., Hu J. Preparation and characterization of chitosan/gelatin/PVA hydrogel for wound dressings // Carbohydr. Polym. 2016. Vol. 146. P. 427–434. doi: 10.1016/j.carbpol.2016.03.002
  2. Jayakumar R., Prabaharan M., Kumar P.S., et. al. Biomaterials based on chitin and chitosan in wound dressing applications // Biotechnol. Adv. 2011. Vol. 29, N. 3. P. 322–337. doi: 10.1016/j.biotechadv.2011.01.005
  3. Rath G., Hussain T., Chauhan G., et. al. Development and characterization of cefazolin-loaded zinc oxide nanoparticles composite gelatin nanofiber mats for postoperative surgical wounds // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2016. Vol. 58. P. 242–253. doi: 10.1016/j.msec.2015.08.050
  4. Khorasani M.T., Joorabloo A., Adeli H., et. al. Design and optimization of process parameters of polyvinyl (alcohol)/chitosan/nano zinc oxide hydrogels as wound healing materials // Carbohydr. Polym. 2019. Vol. 207. P. 542–554. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.12.021
  5. Supare V., Wadher K., Umekar M. Experimental design: Approaches and applications in development of pharmaceutical drug delivery system // Journal of Drug Delivery and Therapeutics. 2021. Vol. 11, N. 4-S. P. 154–161. doi: 10.22270/jddt.v11i4-S.4908
  6. Croisier F., Jérôme C. Chitosan-based biomaterials for tissue engineering // European Polymer Journal. 2013. Vol. 49, N. 4. P. 780–792. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2012.12.009
  7. Ahmed S., Ikram S. Chitosan Based Scaffolds and Their Applications in Wound Healing // Achievements in the Life Sciences. 2016. Vol. 10, N. 1. P. 27–37. doi: 10.1016/j.als.2016.04.001
  8. Cardoso A.M., de Oliveira E.G., Coradini K., et al. Chitosan hydrogels containing nanoencapsulated phenytoin for cutaneous use: Skin permeation/penetration and efficacy in wound healing // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2019. Vol. 96. P. 205–217. doi: 10.1016/j.msec.2018.11.013
  9. Морозов А.М., Беляк М.А. О возможности применения повидон-йода в хирургической практике // Амбулаторная хирургия. 2021. Т. 18, № 2. С. 68–76. doi: 10.21518/1995-1477-2021-18-2-68-76
  10. Каторкин С.Е., Быстров С.А., Безбородов А.И., и др. Применение раствора повидон-йода при операциях на прямой кишке // РМЖ. Медицинское обозрение. 2018. № 2 (2). С. 52–55.
  11. Franco P., De Marco I. The Use of Poly(N-vinyl pyrrolidone) in the Delivery of Drugs: A Review // Polymers (Basel). 2020. Vol. 12, N. 5. P. 1114. doi: 10.3390/polym12051114
  12. De Lima G.G., de Lima D.W., de Oliveira M.J., et. al. Synthesis and in vivo behaviour of PVP/CMC/Agar hydrogel membranes impregnated with silver nanoparticles for wound healing applications // ACS Appl. Bio Mater. 2018. Vol. 1, N. 6. P. 1842–1852. doi: 10.1021/acsabm.8b00369
  13. Ramalingam V., Varunkumar K., Ravikumar V., Rajaram R. Target delivery of doxorubicin tethered with PVP stabilized gold nanoparticles for effective treatment of lung cancer // Sci. Rep. 2018. Vol. 8, N. 1. P. 3815. doi: 10.1038/s41598-018-22172-5
  14. Zhao P., Gu H., Mi H., et al. Fabrication of scaffolds in tissue engineering: A review // Frontiers of Mechanical Engineering. 2017. Vol. 13, N. 1. P. 107–119. doi: 10.1007/s11465-018-0496-8
  15. Eltom A., Zhong G., Muhammad A. Scaffold Techniques and Designs in Tissue Engineering Functions and Purposes: A Review // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 2019, N. 4. P. 1–13. doi: 10.1155/2019/3429527
  16. Long J., Etxeberria A.E., Nand A.V., et. al. A 3D printed chitosan-pectin hydrogel wound dressing for lidocaine hydrochloride delivery // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2019. Vol. 104. P. 109873. doi: 10.1016/j.msec.2019.109873
  17. Bergonzi C., Bianchera A., Remaggi G., et. al. 3D Printed Chitosan/Alginate Hydrogels for the Controlled Release of Silver Sulfadiazine in Wound Healing Applications: Design, Characterization and Antimicrobial Activity // Micromachines (Basel). 2023. Vol. 14, N. 1. P. 137. doi: 10.3390/mi14010137
  18. Kollamaram G., Croker D.M., Walker G.M., et al. Low temperature fused deposition modeling (FDM) 3D printing of thermolabile drugs // International Journal of Pharmaceutics. 2018. Vol. 545. N. 1. P. 144–152. doi: 10.1016/j.ijpharm.2018.04.055
  19. Okwuosa T.C., Stefaniak D., Arafat B., et al. A Lower Temperature FDM 3D Printing for the Manufacture of Patient-Specific Immediate Release Tablets // Pharm. Res. 2016. Vol. 33, N. 11. P. 2704–2712. doi: 10.1007/s11095-016-1995-0
  20. Dores F., Kuźmińska M., Soares C., et al. Temperature and solvent facilitated extrusion based 3D printing for pharmaceuticals // Eur. J. Pharm. Sci. 2020. Vol. 152. P. 105430. doi: 10.1016/j.ejps.2020.105430
  21. Рационализаторское предложение № 15307/2 от 07.02.2022. Глушаков Р.И., Кокорина А.А., Пюрвеев С.С. Способ инъекционного наркоза крыс и кроликов для проведения длительных операций в научных целях.
  22. Патент РФ на изобретение № 2023101459/ 27.04.2023. Бюл. № 12. Барсук И.А., Головко К.П., Александров В.Н. Способ моделирования термических ожоговых ран различной степени тяжести у лабораторных животных.
  23. Шарафутдинова И.Р., Мустафина З.З., Габитова А.Я., и др. Инновационные технологии в мониторинге скорости заживления ран // Международный студенческий научный вестник. 2018. № 4-1. С. 177–179. EDN: UPBTCG
  24. Ivan’kova E.M., Dobrovolskaya I.P., Popryadukhin P.V., et al. In-situ cryo-SEM investigation of porous structure formation of chitosan sponges // Polymer Testing. 2016. Vol. 52. P. 41–45. doi: 10.1016/j.polymertesting.2016.03.018
  25. Добровольская И.П., Юдин В.Е., Попрядухин П.В., Иванькова Е.М. Полимерные матрицы для тканевой инженерии. Монография. Санкт-Петербург: Издательско-полиграфическая ассоциация университетов России, 2016. 223 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Внешний вид матриц на основе хитозана (слева) и хи- тозана с повидон-йодом (справа)

Скачать (86KB)
3. Рис. 2. Оптическая микроскопия фибробластов кожи человека

Скачать (171KB)
4. Рис. 3. МТТ тест фибробластов кожи человека

Скачать (96KB)
5. Рис. 4. Сканирующая электронная микроскопия фибробластов кожи человека после 2 сут культивирования на матрице из хитозана с повидоном. Ув. ×5000 (а); ×500 (б)

Скачать (267KB)
6. Рис. 5. Сравнение антибактериальной активности образцов в отношении контроля эталонных штаммов S. aureus. Измерение при длине волны 600 нм. * — р < 0,05

Скачать (73KB)
7. Рис. 6. Пробирки через сутки инкубации MRSA в питательной среде. КК — контроль культуры бактерий (слева); 8 — пи- тательная среда с MRSA и образцом из хитозана с повидон- йодом (справа)

Скачать (83KB)
8. Рис. 7. Сравнение антибактериальной активности образцов из хитозана и с добавлением повидон-йода в отношении эталонных штаммов S. aureus.Измерение при длине волны 600 нм. * — р < 0,05

Скачать (61KB)
9. Рис. 8. Зона подавления роста MRSA вокруг образцов с повидон-йодом

Скачать (120KB)
10. Рис. 9. Динамика раневого процесса в исследуемых группах

Скачать (525KB)
11. Рис. 10. Морфологические препараты из области ран, отобранные на 21-е сут эксперимента (окраска гематоксилин-эозин, ув. ×100)

Скачать (286KB)

© Эко-Вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».