Bioinspiriertes, klebriges Hydrogel auf Gelatinebasis für verschiedene Oberflächen bei der Pflege von Brandwunden

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13735 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine ordnungsgemäße Behandlung von Verbrennungswunden berücksichtigt die Compliance des Patienten und schafft eine Umgebung, die den Wundverschluss beschleunigt. Klebrige Hydrogele sind förderlich für die Wundversorgung. Sie können als vorbeugendes Infektionspflaster mit kontrollierter Arzneimittelabgabe und unterschiedlicher Oberflächenhaftung dienen. Eine hypothesengetriebene Untersuchung untersucht eine bioinspirierte Polydopamin-Eigenschaft in einem Hydrogel (GbH) auf Gelatinebasis, bei dem Polyvinylalkohol und Stärke als Hydrogel-Rückgrat fungieren. Das GbH zeigte vielversprechende physikalische Eigenschaften mit einer O-H-Gruppen-reichen Oberfläche. Das GbH klebte auf trockenen Oberflächen (Glas, Kunststoff und Aluminium) und nassen Oberflächen (Schweinefleisch und Huhn). Die GbH demonstrierte die mathematische Kinetik für eine transdermale Formulierung und die In-vitro- und In-vivo-Toxizität der GbH an Testmodellen bestätigte das gesunde Wachstum und die Biokompatibilität der Modelle. Das mit Quercetin beladene GbH zeigte an Tag 4 eine Wundkontraktion von 45–50 % bei Verbrennungswunden zweiten Grades in Rattenmodellen, die der Silbersulfadiazin-Behandlungsgruppe entsprachen. Die Schätzungen für Zugfestigkeit, Biochemikalien, Bindegewebsmarker und NF-κB wurden am 21. Tag in den mit GbH behandelten geheilten Wunden wiederhergestellt, um das normale Hautniveau zu imitieren. Das bioinspirierte GbH fördert die effiziente Wundheilung von Verbrennungswunden zweiten Grades in Rattenmodellen, was auf seine präklinische Anwendbarkeit hinweist.

Die Suche der Menschheit nach Inspiration aus der Natur hat zur erfolgreichen Entwicklung neuartiger und funktioneller Hydrogele geführt1. Die Bionachahmung von Schutzschleim auf Schneckenbasis trug zur Entwicklung robuster, an der Oberfläche haftender Hydrogele aus einer Alginat-Polyacrylamid-Kombination bei2,3. Kürzlich wurde ein wirksamer Dopaminkomplex im oberflächenklebenden Hydrogeldesign entwickelt, der von Wassertieren wie Muscheln inspiriert ist und bei denen Dopamin als Hauptbestandteil für die Unterwasserhaftung fungiert4. Viele bioinspirierte Hydrogele wurden unter Verwendung des Biosystems als Modell zum Verständnis seiner vielfältigen Funktionen entwickelt, von seiner molekularen Architektur bis zu seiner makroskopischen Geometrie5. Hydrogele sind komplexe dreidimensionale (3-D) Netzwerke hydrophiler Polymerketten und enthalten aufgrund ihrer hydrophilen Natur erhebliche Mengen an Wasser6,7. Sie schwellen an, wenn sie Wasser ausgesetzt werden, insbesondere da der menschliche Körper Wasser als Hauptbestandteil hat und Hydrogele große Wassermengen enthalten können. Dies macht sie zu einem hervorragenden Kandidaten für verschiedene biomedizinische Anwendungen, wie z. B. Tissue Engineering, Arzneimittelverabreichung, selbstheilende Materialien, Biosensoren und hämostatische Verbände8,9.

Das größte und wichtigste Organ unseres Körpers, die Haut, ist eine äußere Abwehrschicht. Klassische Wundverbandmaterialien wie trockene Stoffe (saugfähige Gaze oder Baumwolle) haben nur minimale medizinische Vorteile, verursachen Schmerzen und erfordern häufige Anpassungen des Verbandes, was für den Patienten anhaltende Belastung darstellt. Hydrogele sind vielversprechend, da sie die Heilung fördern, indem sie an der Wundstelle ein angemessenes Feuchtigkeitsniveau aufrechterhalten. Die meisten Wundversorgungsstudien halten Hydrogele für die besten Kandidaten für Wundauflagen, da sie eine 3D-Struktur haben, die der natürlichen extrazellulären Matrix ähnelt, die der Wunde eine feuchte Atmosphäre garantiert10,11. Die Epithelbrüche und Verbindungssysteme untermauern die Fähigkeit des menschlichen Körpers, einen ausreichenden Schutz vor äußeren Einflüssen zu gewährleisten12. Die Haut scheint das anfälligste aller menschlichen Körperorgane zu sein, von Prellungen und Kratzern bis hin zu Verbrennungen. Statistisch gesehen sind Verbrennungen die vierthäufigste schwächende Form von Traumata13. Von einem idealen Verband für Verbrennungswunden wird erwartet, dass er die Genesung in kürzeren Zeiträumen fördert und Schmerzen lindert, da Verbrennungswunden eine längere ärztliche Behandlung erfordern.

Im letzten Jahrzehnt hat sich die von Muscheln inspirierte Catechol-Chemie zu einem faszinierenden Teil der Wissenschaft entwickelt, insbesondere bei Hydrogelen14, wo Polyacrylamid- und Bisacrylamid-Zusammensetzungen eine gemeinsame Matrix für ein Catechol-eingeschlossenes Hydrogelsystem sind15. Untersuchungen deuten darauf hin, dass ein längerer oder häufiger Kontakt von Polyacrylamid und Bisacrylamid mit der Haut in Tiermodellen Dermatitis und Krebs auslösen kann16. Präklinische Ergebnisse deuten darauf hin, dass die fortgesetzte Exposition gegenüber Polyacrylamid- und Bisacrylamid-Zusammensetzungen in Tiermodellstudien das Fortpflanzungs- und Nervensystem beeinträchtigte17. Auch wenn zahlreiche Verbände auf dem Markt erhältlich sind, muss eine innovative Wundbehandlungslösung für den Umgang mit Verbrennungen entwickelt werden. Die aktuelle Untersuchung basiert auf der Hypothese, dass „Polydopamin in einer ungiftigen Zusammensetzung einer Hydrogelformulierung tatsächlich eine Klebeeigenschaft aufweist“. Daher wurde der GbH-Wundverband entwickelt und seine physikalische und biologische Leistung auf verschiedenen Oberflächen bewertet. Abschließend wurde eine Bewertung des Arzneimittelfreisetzungsmusters aus dem Wundverband-Hydrogelpflaster vorgenommen, um das Arzneimitteldiffusionsmuster der Formulierung bei der Wundheilung von Teilverbrennungen zweiten Grades in Rattenmodellen zu verstehen.

Die in der vorliegenden Forschung angewandte klassische Optimierung hat zur Entwicklung des GbH mit der klebrigen Eigenschaft eines bioinspirierten Polydoms geführt2,18. Die PVA-Hydrogele finden aufgrund ihrer einfachen Verarbeitung, Biokompatibilität, Nichtkarzinogenität, Bioadhäsivität, Ungiftigkeit und Transparenz zahlreiche Anwendungen in der pharmazeutischen und biomedizinischen Industrie. Das Mischen synthetischer Hydrogele wie PVA, Polycaprolacton und Polymilchsäure mit Stärke gewährleistet die Fülle an Hydroxylgruppen und verbessert die mechanischen Eigenschaften19,20,21. Stärke, ein in der Natur reichlich vorhandenes Biopolymer, ist kostengünstig, weit verbreitet und weist thermoplastische und effizient biologisch abbaubare Eigenschaften auf. Allerdings weist ein stärkebasiertes System häufig schlechte mechanische, spröde und gut wasserlösliche Eigenschaften auf, und eine synthetische Polymermodifikation erweist sich als vorteilhaft21,22. In der aktuellen Studie war die PVA-Stärke-Hydrogelmischung, die durch Glutaraldehydreagenz (GA) chemisch vernetzt wurde (Abb. 1a), die aus dem Lösungsgussverfahren erhalten wurde, transparent und hatte keine adhäsiven oder klebrigen Eigenschaften. Die Mischung aus PVA-Stärke-Hydrogel diente als Basis, um eine klebrige Eigenschaft zu verleihen. Der Hydrogelbasis wurden verschiedene Konzentrationen Polydopamin zugesetzt und anschließend der Dehnungstest durchgeführt (Tabellen 1 und 2). Die niedrigste Konzentration von 0,5 % erwies sich als elastisch und angemessen klebrig (Abb. 1a.1), wie es von einer Hydrogelformulierung gewünscht wird, da ein Wundverband allen äußeren Kräften standhalten und die Wunde schützen sollte.

Schematische Darstellung und vielfältige Leistung von GbH: (a) Schematische Darstellung des entwickelten vielfältigen Oberflächenhydrogels (GbH) auf Gelatinebasis; (a.1) Das entwickelte GbH ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem Polymere aus Polyvinylalkohol (PVA) und Stärke sowie die optimierte alkalisch polymerisierte Polydopaminkonzentration chemisch mit Glutaraldehydreagenz (GA) vernetzt werden, das als Basisgel dient; (a.2) Das überschüssige Glutaraldehyd im halbpolymerisierten Stadium vernetzt mit Gelatine und bildet ein Polymernetzwerk über dem Basisgel. Das Gelatinenetzwerk verhindert den Sauerstoffeintrag von außen und hemmt die Oxidation von Catecholgruppen.; Der Benedict-Test wurde verwendet, um überschüssiges Glutaraldehyd zu bestimmen, bestehend aus: (b) PBS, (b.1) Tris-HCl, (b.2) AlCl2 und (b.3) destilliertem Wasser. Die entwickelte GbH mit Stabilisator auf diversen Untergründen: (c) Huhn; (c.1) Schweinefleisch; (c.2) Edelstahloberfläche; (c.3) Glasoberfläche und (c.4) Kunststoffoberfläche.

Die Einarbeitung von Gelatine und Natriummetaperjodat im halbpolymerisierten Zustand sorgte für die gewünschte klebrige Eigenschaft, die bei RT (Raumtemperatur, 22 ± 3 °C) vier Tage lang anhielt. Als beste Kombination wurden 500 μl Gelatine mit einem Verhältnis von 1:5 aus Polydopamin und Natriummetaperiodat beobachtet. Frühere Forschungen zu muschelinspiriertem Polydopamin-Polyacrylamid-Hydrogel sorgten dafür, dass ausreichend freie Catecholgruppen im Hydrogel erhalten blieben und eine Überoxidation von Polydopamin verhindert wurde4. Das Polyacrylamid im von Muscheln inspirierten Hydrogel blockierte den externen Sauerstoff und hemmte die Oxidation von Catecholgruppen, indem es ein Polymernetzwerk bildete. In der Natur verhindern Muscheln die Überoxidation der Catecholgruppe, indem sie reduktive, cysteinreiche Proteine ​​absondern und so eine starke Haftfähigkeit aufrechterhalten4. In der aktuellen Forschung verhinderte das Gelatinenetzwerk eine Überoxidation und behinderte die sofortige Oxidation der Brenzkatechingruppe, wodurch dem Hydrogel-Brenzcatechin eine verlängerte klebrige Eigenschaft verliehen wurde. Das Grundgel wird durch die vernetzte Kette der PVA-Stärke gebildet (Abb. 1a.2). Das Vernetzungsmittel GA reagiert mit den benachbarten O-H-Gruppen des PVA und bildet zyklisches Glyoxal23. Die gleiche Vernetzung findet zwischen Stärke und PVA statt. Die starken H-Brücken-Wechselwirkungen zwischen PVA-Stärke unterstützten auch die Netzwerkbildung. Das Polydopamin interagiert auch mit dem Basisgel und bildet Wasserstoffbrücken mit dem in den Strukturgruppen vorhandenen N-H. Das überschüssige GA vernetzt die Gelatine und macht das Netzwerk stabil24. Die Catecholeinheiten im Polydopamin können im normalen Gewebe verschiedene Oberflächenwechselwirkungen eingehen, die zur Bildung kovalenter Grenzflächenbindungen führen25.

Das GbH wurde einem Waschprozess unterzogen, um überschüssiges GA zu entfernen. Daher wurde durch den Benedict-Test26 ein geeigneter Puffer zur Förderung der Entfernung eines Überschusses der funktionellen C-H-O-Gruppe ermittelt. Der Farbumschlag von Dunkelgrün zu Kristallblau im Benedict-Test weist auf die Eliminierung der C-H-O-Gruppe hin. Als Puffer wurden Tris-HCl (3 M), Aluminiumchlorid (AlCl2) (50 mM), phosphatgepufferte Salzlösung (PBS) (0,1 M) und destilliertes Wasser verwendet (Abb. 1b–b.3). Der Benedict-Test ergab, dass PBS ideal für Waschzwecke ist (Abb. 1b), wobei das Waschen in drei 6-Stunden-Zyklen durchgeführt wurde, dann der Puffer verworfen und das Gel zum Zweck der Gelkonservierung, das gelagert werden kann, wieder mit frischem PBS aufgefüllt wurde bei 4 °C in PBS oder destilliertem Wasser. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR)-Spektren des gewaschenen Gels unterstützen ebenfalls die vollständige Entfernung von GA; Die IR-Details werden im Abschnitt „Charakterisierung der GbH“ kurz erläutert. Die Klebrigkeit des GbH an der nassen Oberfläche wird durch die auf dem Hydrogel vorhandenen Oberflächenamingruppen ermöglicht27,28. Das GbH wurde auf verschiedenen Oberflächen gehalten (über Nacht bei RT) und die Klebrigkeit jedes Hydrogels an der Oberfläche wurde beobachtet (Abb. 1c–c.4). Das GbH wurde auf verschiedene nasse Oberflächen wie Huhn (Abb. 1c) und Schweinefleisch (Abb. 1c.1) und trockene Oberflächen wie Edelstahl (Abb. 1c.2) und Glas (Abb. 1c.3) gelegt. und Kunststoff (Abb. 1c.4). Die Klebrigkeit an Metall, Glas und Schweinefleisch war stärker als die von Geflügelfleisch.

Das aus Polyelektrolyten synthetisierte Hydrogel quillt aufgrund der Ladungsabstoßung zwischen den Polymerketten stärker29. Eine Eigenschaft wie Schwellung ist für eine kontrollierte Arzneimittelfreisetzung wünschenswert30. Die GbH ist für die Wundversorgung als Verbandmaterial konzipiert und daher wurde die vorliegende Formulierung mit drei unterschiedlichen Medikamenten beladen, nämlich: Ciprofloxacin (antibakterielles Medikament), 5-Flucytosin (Antimykotikum) und Quercetin (Medikament zur Förderung der Wundheilung) (Tabelle 3). In der vorliegenden Studie wurde die GbH mit unterschiedlichen Arzneimittelkonzentrationen (mindestens 5 mg/ml und höchstens 20 mg/ml) beladen, abhängig von der Sättigung und der wirksamen Konzentration der zu verteilenden Arzneimittel. Die Arzneimittel wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöst und 200 μl Arzneimittel wurden mit Gelatine beladen. Es wurde auch eine Studie mit einer Kombination von Arzneimitteln (Ciprofloxacin (100 μl) und Quercetin (100 μl)) durchgeführt, da die Wundheilung sowohl einen Bakterienschutz als auch wundheilungsfördernde Arzneimittel erfordert. Als Kontrolle für vergleichbare Eigenschaften wurde die GbH ohne Medikamente herangezogen.

Das GbH hatte in verschiedenen Lösungsmitteln eine gute Quellung gezeigt und war mit der Kontrolle vergleichbar (Abb. 2a). Darüber hinaus erleichtert die quellende Natur die Absorption von Exsudaten und fördert ein geeignetes Umfeld für die Wundheilung. Das GbH löste sich in keinem der Testlösungsmittel und es wurde beobachtet, dass der Quellungsprozentsatz von in Blut eingetauchtem GbH eher auf Blutbestandteile zurückzuführen war29. In der aktuellen Studie wurde die Quellfähigkeit mit zunehmender Wirkstoffkonzentration vernachlässigbar beeinträchtigt. Als Kandidat für die Wundauflage wird ein Hydrogel mit niedrigem Wasserdampfdurchlässigkeitswert (WVT) (Tabelle 4) bevorzugt, da der Flüssigkeitsverlust begrenzt ist und eine ausreichend feuchte Atmosphäre für die Wundheilung aufrechterhalten wird22. Berichten zufolge kommt es bei normaler Haut bei 35 °C zu einem durchschnittlichen Wasserverlust von ca. 250 g/m²/Tag, während der Wasserverlust in einer Wunde stark auf 5000 g/m²/Tag ansteigt. und der Verlust richtet sich nach der Art der Verletzung31. Es wurde festgestellt, dass das mit Medikamenten beladene GbH eine vergleichsweise niedrige WVT aufweist und mit der Kontrolle vergleichbar ist. Je größer der Wassermangel ist, desto unmöglicher ist die Heilung der Wunde32. Daher sind Schwellung, WVT und Feuchtigkeitsretentionskapazität (MRC) wesentliche Parameter in Hydrogelen, die die Exsudatabsorption fördern und den Wassertransfer begrenzen, um einen Zustand zu gewährleisten, der die Wundheilung begünstigt und so für eine angemessene Arzneimitteldiffusion sorgt. Es gab einen einigermaßen starken MRC im vorbereiteten GbH (Tabelle 4) und alle MRC-Werte zeigten einen vernachlässigbaren Unterschied zur Kontrolle (Tabelle 4) (mit Arzneimitteln beladenes GbH). Die Ergebnisse zeigten eine ordnungsgemäße Vernetzung, selbst nachdem das GbH vier Tage lang in destilliertem Wasser getaucht worden war. Das hergestellte GbH hatte eine sehr starke Gelfraktion (GF) (Tabelle 4) und alle GF-Werte waren mit der Kontrolle vergleichbar.

Charakterisierung des GbH: Die physikalische Bewertung von GbH: (a) das Quellverhalten von GbH in Wasser, NaCl-Lösung, MgCl2-Lösung und Blut. Das SEM-Bild: (b) und (c) Kontroll-GbH mit einer Porengröße im Bereich von 266–393 nm; (b.1) antibakterielles, mit Ciprofloxacin beladenes GbH; (b.2) die Wundheilung fördernde, mit Quercetin beladene GbH; (b.3) Antimykotikum 5-Flucytosin-beladenes GbH; (b.4) Kombination des antibakteriellen Wirkstoffs Ciprofloxacin und Quercetin-beladenem GbH. (c.1) SEM-Bild von Patch-A GbH vor der Freisetzung von Salicylsäure; (c.2) SEM-Bild von Patch-A GbH nach der Freisetzung von Salicylsäure (c.3) SEM-Bild von Patch-B GbH vor der Freisetzung von Salicylsäure; (c.4) REM-Aufnahme von Patch-B GbH nach der Freisetzung von Salicylsäure. Veranschaulichte Oberflächenfunktionseigenschaften: (d) FT-IR von Standard-Hydrogel und GbH; (e) FT-IR von GbH mit antibakteriellem Wirkstoff Ciprofloxacin (C), beladen mit wundheilungsförderndem Wirkstoff, Quercetin beladen (Q), GbH mit antimykotischem Wirkstoff 5-Flucytosin (5F), beladen, GbH mit antibakteriellem Wirkstoff Ciprofloxacin und Quercetin kombiniert (Q + C) beladen und GbH mit Antimykotikum 5-Flucytosin und Quercetin kombiniert (Q + 5F) beladen; (f) FT-IR von Patch-A und -B. DSC-Charakterisierung von Patches: (g) GbH und (h) Patch-A und -B. (i) XRD des GbH als Patch-A und -B.

Die Oberfläche des GbH erwies sich im Rasterelektronenmikroskop (REM) als dicht und bei sehr hoher Vergrößerung waren nur wenige Poren im Bereich von 266 bis 393 nm sichtbar (Abb. 2b, c). Eine dichte Oberfläche ist als Wundverband von Vorteil, da sie Bakterien nicht dazu ermutigt, in die Verletzungsstelle einzudringen und leicht eine Infektion zu verursachen15. Bei einer ähnlichen Untersuchung von PVA-Stärkeformulierungen wurden unlösliche Stärkepartikel auf der Oberfläche33 gefunden, die auf der GbH-Oberfläche29 nicht sichtbar waren. Die Beobachtung, dass sich die Oberfläche im Vergleich zum Kontroll-GbH nicht verändert, weist darauf hin, dass die Arzneimittel ordnungsgemäß (gleichmäßig/richtig) mit dem GbH vermischt wurden, wodurch ein gleichmäßiger Arzneimittelbeladungsprozess gewährleistet wurde (Abb. 2b.1–4, b.1–4). Auch wenn das GbH von Natur aus durchscheinend ist, kann sich seine Farbe je nach Wirkstoffbeladung ändern. Die Farbe des GbH veränderte sich zu Gelb und einer milchigen Trübung, wenn Quercetin bzw. 5-Flucytosin hinzugefügt wurden.

Die IR-Spektren des Hydrogels und von GbH (Abb. 2d) zeigten einen breiten Peak im Bereich von 3300–3500 cm−1, der auf die intermolekulare wasserstoffgebundene O-H-Streckung der Komponenten zurückzuführen ist34. Der bei 1636 cm-1 beobachtete Peak entspricht der N-H-Schwingung von Polydopamin (Abb. 2d), die offensichtlich in allen Spektren zu sehen war. Da die Spektren keine charakteristischen Aldehydbanden zeigten, liegt kein Überschuss an Glutaraldehyd vor. Es gab keine Verringerung der Intensität der O-H-Banden, selbst nach dem Einbau von Arzneimitteln (Abb. 2e), was auf die Fülle hydrophiler O-H-Gruppen hinweist, die von seinen Komponenten beigetragen werden. Untersuchungen zeigen, dass die Klebeeigenschaften von Hydrogelen hauptsächlich mit der Wechselwirkung der Oberflächen-O-H-Gruppen des Hydrogels mit chemischen Gruppen wie Hydroxyl, Amino und Carboxyl auf der Oberfläche von Geweben zusammenhängen27,28,35. Der Peak bei 1141 cm−1 zeigte eine CO-Streckung, die auf die zwischen benachbarten PVA-Ketten gebildeten intermolekularen Wasserstoffbrücken zurückzuführen ist36. Die Streckschwingung der CO-Bindung in den C-O-C-Gruppen der Stärke wurde bei 1025 cm-1 im GbH gefunden, während die Peaks, die der CO-Streckung der Gelatine entsprachen, bei 1080 cm-1 gefunden wurden und 1030 cm−1 in den Spektren von GbH (Abb. 2d). Der durch das Vorhandensein einer sekundären Amidgruppe entstandene Peak verschmolz mit der N-H-Bande von Polydopamin bei 1636 cm−1. Die Spektren des GbH behielten alle seine charakteristischen Peaks in der jeweiligen Region bei, was zeigt, dass beim Einbau des Arzneimittels keine chemischen Wechselwirkungen oder strukturellen Veränderungen auftraten (Abb. 2e und f).

Das thermische Verhalten des GbH wurde mit einem Thermogramm der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) untersucht. Der endotherme Schmelzpeak für GbH wird bei 199 ° C beobachtet (Abb. 2g). Dies kann hauptsächlich auf die Hauptkomponente PVA zurückgeführt werden; Allerdings ist die hier beobachtete Tm niedriger als in den Literaturberichten für reines PVA, hauptsächlich aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den PVA-Ketten und anderen Komponenten, was es zu einer amorphen Natur des GbH37 macht. Das GbH ist bis zu 200 °C thermisch stabil, während das in den Wirkstoff eingebaute GbH bei 216 °C eine höhere Tm aufwies, was auf die physikalische Wechselwirkung zwischen dem Wirkstoff und dem GbH zurückzuführen ist (Abb. 2h). Die kristalline oder amorphe Eigenschaft wird durch Röntgenpulverbeugung (XRD) mit einem Peak bei 2θ = 9,4° sichtbar, der den halbkristallinen Peak von PVA38 darstellt. Das Vorhandensein von Stärke war in allen Fällen durch das Vorhandensein eines kleinen Schulterpeaks bei 9° erkennbar (Abb. 2i). Die Intensität der Peaks verringerte sich mit der Einnahme der Medikamente. Die verminderte Intensität der Peaks in Patch-A und -B zeigt die amorphe Natur des GbH.

Das Arzneimittelfreisetzungsprofil wurde anhand einer 1 %igen Arzneimitteldosis Salicylsäure beurteilt. Es wurden zwei Ansätze implementiert: Patch-A, bei dem das GbH hergestellt und in Salicylsäure dispergiert wurde; Patch-B, bei dem das GbH in 10 ml Salicylsäurelösung in Aceton eingetaucht wurde, bis die Lösung verdampfte. Der Dehnungstest der Pflaster zeigte, dass die Methode der Arzneimittelintegration die Dehnung des GbH nicht veränderte (Tabelle 5). Die Pflaster zeigten eine Dehnung, die der der Kontrollpflaster entsprach, d. h. dem GbH ohne Arzneimittel.

Die Reihenfolge der Arzneimittelfreisetzung (Abb. 3a) aus den Pflastern zeigte, dass sowohl Pflaster A als auch Pflaster B einen kontrollierten Arzneimittelfreisetzungsprozentsatz (CDR%) von 60,39 ± 2,25 % bzw. 57,08 ± 2,02 % innerhalb eines Zeitraums von aufwiesen 4 Std. Patch-A und -B zeigten positiverweise ein identisches Muster mit langsamer Veröffentlichung; Somit wurde ein reguliertes Arzneimittelfreisetzungsmuster beobachtet. Eine vergleichbare Gelatine-Hydrogel-Untersuchung ergab eine 100 %ige Wirkstofffreisetzung in 4 Stunden, während das GbH nur eine 60 %ige Wirkstofffreisetzung aufwies. Studien deuten darauf hin, dass die Wirkstofffreisetzung schneller erfolgte und das Gleichgewicht in einer Umgebung mit ausreichend Lösungsmedien nach 3 Stunden erreicht wurde39. Es wurde beobachtet, dass die Pflaster A und B eine Wirkstoffbeladungskapazität von 13,48 ± 0,17 bzw. 11,42 ± 0,15 mg aufwiesen. Der Arzneimittelbeladungsprozess zeigte geringfügige Unterschiede in den Eigenschaften des GbH, und Patch-B zeigte einen teilweisen Verlust (Tabelle 5) in Bezug auf die Dehnung. Das Lösungsgießsystem ist effizient und hat in der vorliegenden Untersuchung ein großes Potenzial für die Arzneimittelbeladung. Die Untersuchung der Wirkstofffreisetzung durch Agar-Diffusion erzeugte aufgrund einer komplexen Reaktion zwischen diffundierter Salicylsäure und Eisenchlorid (Abb. 3b, c) eine violette/violette Farbe auf Agarplatten (Abb. 3b, c). Kinetik der Arzneimittelfreisetzung (Abb. 2c). Basierend auf dem Durchmesser der durch die Arzneimittelfreisetzung gebildeten Zone wurden die kontrollierten Freisetzungseigenschaften des GbH beobachtet. Die Freisetzung von Salicylsäure erfolgte langsam und konnte durch die zeitabhängige Erweiterung des Rings beobachtet werden. Das GbH erweist sich als ideale Formulierung für die Diffusionsfähigkeit des Arzneimittels, was durch weitere mathematisch-kinetische Beobachtungen erklärt werden kann.

Mathematische Modellierung für das transdermale Arzneimittelabgabesystem: Zeitabhängige Bewertung der Salicylsäurefreisetzung aus GbH: (a) grafische Darstellung der spektrophotometrischen Analyse des kontrollierten Arzneimittelfreisetzungsprofils von Patch-A und -B für Salicylsäure; (b) Darstellung des Agar-Well-Diffusionstests für das kontrollierte Arzneimittelfreisetzungsprofil von Patch-A und -B; (c) grafische Darstellung des kontrollierten Arzneimittelfreisetzungsprofils von Patch-A und -B für den Salicylsäure-Agar-Well-Diffusionstest. Mathematische Modelldarstellung der Arzneimittelfreisetzung aus GbH: (d) Freisetzungskinetik nullter Ordnung, (e) erster Ordnung und (f) Higuchsche Freisetzungskinetik. Agardiffusion von GbH: (gA) UV-sterile GbH-Leistung gegen E. coli; (gB) Kontrollplatte der UV-sterilen GbH-Leistung gegen E. coli; (gC) UV-sterile GbH-Leistung gegen S. aureus; (gD) Kontrollplatte der UV-sterilen GbH-Leistung gegen S. aureus; (gE) Nicht sterile GbH-Leistung gegen E. coli; (gF) Kontrollplatte der unsterilen GbH-Leistung gegen E. coli; (gG) Nicht sterile GbH-Leistung gegen S. aureus; (gH) Kontrollplatte der unsterilen GbH-Leistung gegen S. aureus; (gI) UV-sterile GbH-Leistung gegen C. albicans; (gJ) Kontrollplatte der UV-sterilen GbH-Leistung gegen C. albicans; (gK) Nicht sterile GbH-Leistung gegen C. albicans und (gL) Kontrollplatte der nicht sterilen GbH-Leistung gegen C. albicans. (h) veranschaulichen die Agar-Overlay-Leistung von GbH, wobei E, S und CA E. coli, S. aureus bzw. C. albicans bezeichnen; C bezeichnet die Steuerplatte; C(H) bezeichnet Positivkontrolle GbH; D(H) bezeichnet das mit Testmedikamenten beladene GbH. (i) veranschaulicht die Patch-Agar-Leistung von GbH, wobei D1, D2 und D3 Tag 1, 2 bzw. 3 sind; E, S und CA bezeichnen E. coli, S. aureus bzw. C. albicans; C bezeichnet Baumwollpflaster; D(C) bezeichnet ein mit Arzneimitteln beladenes Baumwollpflaster; H bezeichnet GbH und D(H) bezeichnet wirkstoffbeladenes GbH.

Der CDR%-Wert wird außerdem für die statistische Modellanalyse des GbH-Arzneimittelfreisetzungsmusters berücksichtigt. Die Freisetzungskinetik in Null- (Abb. 3d), erster Ordnung (Abb. 3e) und Higuchian-Kinetik (Abb. 3f) des Arzneimittelfreisetzungsmusters für Patch-A und -B wurde aufgezeichnet40. Die Grafiken spiegeln die statistische Form der Formulierung der transdermalen Wirkstofffreisetzung wider. In einer Modellanalyse nullter Ordnung werden Daten aus In-vitro-Arzneimittelfreisetzungsversuchen als Gesamtmenge des freigesetzten Arzneimittels im Verhältnis zur Zeit aufgetragen (Abb. 3d). Dieser Zusammenhang kann die Arzneimitteldiffusion von Arzneimittelfreisetzungsformen erklären, einschließlich transdermaler Systeme, Matrixtabletten mit schwer löslichen Arzneimitteln in beschichteter Form und osmotischer Systeme41. Das Modell erster Ordnung stellt einen kumulativen logarithmischen Prozentsatz des verbleibenden Arzneimittels im Vergleich zur Zeit dar, was zu einer geraden Linie mit einer Steigung von − K/2303 führt (Abb. 3e). Diese Assoziation kann verwendet werden, um die Arzneimittelauflösung in verschreibungspflichtige Dosierungsarten zu kategorisieren, beispielsweise solche, die wasserlösliche Arzneimittel in porösen Matrizen umfassen41. Die Higuchian-Kinetik befasst sich nur mit dem Gesamtprozentsatz der Arzneimittelfreisetzung im Verhältnis zur Quadratwurzel der Zeit (Abb. 3f). Diese Korrelation kann verwendet werden, um die Arzneimittelauflösung vieler Arten von Arzneimitteldosierungsformulierungen mit modifizierter Freisetzung zu erklären, wie z. B. transdermale Systeme und Matrixtabletten mit wasserlöslichen Arzneimitteln41.

Die Arzneimittelfreisetzung von Salicylsäure aus der GbH-Matrix entspricht dem Konzept der Kinetik nullter und erster Ordnung (für Pflaster A r2 = 0,984 bzw. r2 = 0,99; für Pflaster B r2 = 0,894 bzw. r2 = 0,95) (Abb . 3d,e). Patch-A folgt ebenfalls der Higuchian-Kinetik mit einem relativ engen Korrelationskoeffizienten (r2 = 0,952), Patch-B hatte jedoch einen niedrigeren Wert als Patch-A (Abb. 3f). Patch-B hat im kinetischen Modell nullter Ordnung einen niedrigeren Wert als Patch-A (Abb. 3d). In ähnlicher Weise ergab ein früherer Bericht über die mathematischen Modelle von Hydrogelen auf Gelatinebasis, dass das Hydrogel, das auf die gleiche Weise wie Pflaster B entwickelt wurde, aufgrund der veresterten Komplexe, die die Freisetzung von Salicylmolekülen behindern, eine geringere Wirkstofffreisetzung als Pflaster A aufweist39. In Übereinstimmung mit der Validierung der mathematischen Modelle für ein transdermales Medikamentenverabreichungssystem folgt Patch-A drei Medikamentenfreisetzungsprofilen, d. h. nullter, erster Ordnung und Higuchian-Modell, aber Patch-B hatte im Vergleich zu Patch einen niedrigeren Wert -A für das Modell nullter Ordnung und das Higuchian-Modell. Ein ähnliches Arzneimittelfreisetzungsmuster wurde für Diclofenac-Natrium beobachtet, das in Hydrogelen auf Polyethylenglykol- und Polyethylenglykol-Polycaprolacton-Basis eingeschlossen ist42. Patch-A und -B gehorchen, wie besprochen, allen drei kinetischen Gesetzen, wobei der Diffusionsprozess Salicylsäure freisetzt. Das Medikament nutzt denselben Kanal, über den es in die Matrix diffundiert, was durch eine REM-Analyse vor und nach der Medikamentenfreisetzung von Patch-A bestätigt werden kann (Abb. 2c.1, c.3). Die vor der Freisetzung beobachtete raue Oberfläche ist eine glatte Oberfläche in den REM-Bildern nach der Arzneimittelfreisetzung (Abb. 2c.2, c.4) von Pflaster B, die mit der Oberfläche des Kontroll-GbH (Abb. 2c) vergleichbar ist. Die IR-Ergebnisse (im Abschnitt „Charakterisierung von GbH“ und in Abb. 2f erwähnt) zeigten das deutliche Vorhandensein einer O-H-Funktionsgruppe auf der Oberfläche des GbH, und die Arzneimittelbeladung veränderte die Oberflächenfunktionsgruppen nicht wesentlich.

Hydrogel-Verbände halten in erster Linie den Wundbereich feucht und schützen ihn vor Infektionen. Die in der REM-Analyse des GbH beobachtete Porosität (Abschnitt: „Charakterisierung von GbH“ und Abb. 2b, c) weist auf Vorteile wie hohe lokale Konzentration des Wirkstoffs, langsame Freisetzung und Quellung hin. Die Arzneimitteldiffusion aus der GbH wurde gegen Mikroorganismen (Escherichia coli MTTC 443, Staphylococcus aureus MTTC 96 und Candida albicans MTTC 183) mithilfe agarbasierter Methoden wie Agardiffusion, Agar-Overlay und Patch-Agar getestet. Diese Methoden demonstrieren die Effizienz der Arzneimittelfreisetzung durch die GbH und ihre Leistung bei der Kontrolle von Infektionen. In der vorliegenden Untersuchung wurden die oberflächensterilisierten und unsterilisierten GbH (Abb. 3 gA–gL) mit der Agar-Diffusionsmethode getestet. Das GbH zeigt eine starke Diffusionsfähigkeit sowohl in niedrigeren als auch in höheren Arzneimittelkonzentrationen, dh 5 mg und 20 mg. Die beobachteten zwei unterschiedlichen Ringe der Hemmzone könnten auf die langsame Diffusionsfähigkeit des Arzneimittels aus dem GbH zurückzuführen sein. Das sterilisierte oder unsterilisierte Gel hat kaum Einfluss auf die Diffusionsfähigkeit des Arzneimittels über die GbH. Das Agar-Overlay-System (Abb. 3h) zeigte eine starke Diffusionsfähigkeit des Arzneimittels bei niedrigeren Konzentrationen (5 mg) und das GbH mit Testarzneimitteln zeigte im Vergleich zu den Kontrollen kein mikrobielles Wachstum. Der GbH ist somit eine erfolgreiche Wahl für den Wundschutz vor bakteriellen (Abb. 3g.A–gH) und Pilzinfektionen (Abb. 3g.I–gL).

Die Tests und Kontrollen wurden wie bei der Patch-Agar-Untersuchung (Abb. 3i) mit einem Abstrich von gramnegativem E. coli und grampositivem S. aureus für antibakterielle Studien infiziert und bei 37 °C inkubiert. Antimykotische Platten wurden mit C. albicans beimpft und bei 27 °C inkubiert. Die Studie wurde über einen Zeitraum von drei Tagen durchgeführt, wobei ein Abstrich aus dem kontaminierten Bereich entnommen und auf Nähragar- bzw. Kartoffel-Dextrose-Agarplatten auf Bakterien- und Pilzwachstum überwacht wurde. Die vorliegenden Ergebnisse (Abb. 3i) zeigten, dass das mit Arzneimitteln beladene GbH im Gegensatz zum GbH ohne Arzneimittel und Kontrollen eine überlegene antimikrobielle Aktivität aufwies. Auf der mit Medikamenten beladenen Baumwollpflasterprobe wurde vom ersten Tag an ein dickes mikrobielles Wachstum beobachtet. Das mit und ohne Medikamenten beladene Patch-Agar-System bewies die Fähigkeit des GbH, Infektionen aufgrund seines weichen Wundverbands mit einer starken Diffusionseigenschaft zu vermeiden .

Die Toxizität des GbH wurde mittels MTT-Assay auf drei Ebenen bewertet. Der First-Level-Assay mit L929-Zelllinien ermöglichte die Auswahl des geeigneten Stabilisators, wodurch das GbH ungiftig wurde. Die Assays der zweiten Ebene bestimmen die Lebensfähigkeit der Zellen während des indirekten Kontakts des GbH (GbH-Sickerwassers) mit 3T6-Zelllinien. Schließlich wurde in der dritten Ebene die Inertheit des GbH für den direkten und indirekten (GbH-Sickerwasser) Kontakt des GbH unter Verwendung von HaCat-Zellen nachgewiesen. Verschiedene Stabilisatoren wie Quercetin (QU), Eugenol (EU), Vitamin C (Vc) und Natriummetaperjodat (SmP) wurden MTT-Tests in unterschiedlichen Konzentrationen (1:0,5, 1:1, 1:1,5 und 1:1) unterzogen. 2) des Verhältnisses von Polydopamin zu Stabilisator (Abb. 4a). Interessanterweise wurde eine angemessene Zelllebensfähigkeit von ~ 50 % bei einem Verhältnis von Polydopamin zu Natriummetaperiodat von 1:1 beobachtet. Daher wurde das SmP als Stabilisator für die Tests der zweiten Ebene nach polnischen Standards ausgewählt43. Die MTT-Bewertung der Toxizität des Biomaterial-Leachat-Mediums in 3T6-Zellen zeigte dessen ungiftige Eigenschaften. Unter den hier verglichenen Verhältnissen von Polydopamin zum Stabilisator SmP (1:1, 1:2, 1:3 und 1:4) zeigte 1:4 eine Zelllebensfähigkeit von > 80 % (Abb. 4b), was noch weiter war in verschiedenen Mengen getestet, wobei 100 % des Wachstumsmediums durch das Biomaterial-Sickermedium ersetzt wurden (Abb. 4c). Obwohl verschiedene Prozentsätze (25, 50 und 100 %) des Biomaterial-Sickermediums ersetzt wurden, gab es keine größeren negativen Auswirkungen des GbH auf die Lebensfähigkeit von 3T6-Zellen und es war mit den Kontrollen, nämlich PVA-Stärke-Hydrogel und dem, vergleichbar GbH-Basis. Der abschließende MTT-Assay wurde an der HaCat-Zelllinie (Abb. 4d) mit zwei verschiedenen Methoden durchgeführt, direktem und indirektem Kontakt des GbH (Abb. 4d.1). Die Lebensfähigkeit der Zellen blieb unbeeinträchtigt, dh bei beiden Testmethoden 100 %, und die beobachteten Werte waren mit den Wachstumskontrollen vergleichbar (Abb. 4d).

In-vitro- und In-vivo-Leistung von GbH als Verbandmaterial für Verbrennungswunden zweiten Grades: Bewertung der Zytotoxizität von GbH unter Verwendung von L929-Zellen: (a) Zelllebensfähigkeit von L929 bei 24-stündiger Einwirkung von GbH, wobei Hb eine Hydrogelbasis mit Nr. ist Stabilisator und die Legende gibt die Konzentration (mg) jedes Teststabilisators an; (b) Zelllebensfähigkeit von 3T6, wenn es 24 Stunden lang dem GbH-Leachat-Medium ausgesetzt wird, wobei Ctr die GbH-Basis ohne Stabilisator ist und die Legende das Verhältnis von Polydopamin zu Natriummetaperiodat angibt und (c) Zelllebensfähigkeit von 3T6, wenn es dem ausgesetzt wird GbH-Sickerwassermedien für 24 Stunden mit einem anderen Prozentsatz, wobei Ctr die GbH-Basis ohne Stabilisator ist und die Legende des Verhältnisses das Polydopamin- und Natriummetaperiodat-Verhältnis im GbH angibt. (d) Zelllebensfähigkeit des HaCat, wenn das GbH mit den Zellen in Kontakt steht (GbH platziert) und das ausgelaugte Medium bei 100 % Mediumersatz 24 Stunden lang inkubiert wird, wobei Ctr die Kontrolle bezeichnet, Ctr 37 °C die Positivkontrolle; (d.1) Beobachtetes Ereignis gesunder HaCat-Zellen nach 24 Stunden in Kontakt mit dem GbH, wobei der weiße Pfeil den GbH und der schwarze Pfeil gesunde HaCat-Zellen in einer 96-Well-Platte bezeichnet. Beobachtete Entwicklung von Salzgarnelen, wenn sie 24 Stunden lang dem GbH ausgesetzt wurden. (e) Positivkontrolle: Nauplien aus dem belüfteten Tank; (e.1) Kontrolle: Nauplien in künstlichem Salzwasser; (e.2) und (e.4) Test: Nauplien in 1:1-Medium aus GbH-Blutepuffer und künstlichem Salzwasser; (e.3) und (e.5) Test: Die GbH platzierte Salzgarnelen in einem künstlichen Salzwassermedium. Kurzzeittoxizitätstest an Embryo- und Sackbrutstadien des Zebrafischmodells: (f) Beobachtete Entwicklung von Zebrafischen bei Exposition gegenüber GbH (GbH-Direktkontakt und 1:1-Medium, d. h. GbH-Auslaugungspuffer und E3-Medium) für 18 –96 PS; (f.1) Beobachtete gesunde Zebrafischeier bei 48 hpf in Kontakt mit der GbH. Mikrofotografien, die die Histopathologie der Haut von Ratten zeigen. Normales Aussehen des Epithels bei den männlichen (g) und weiblichen (g.1) Ratten der Kontrollgruppe. Minimale Akanthose der männlichen (g.3) und weiblichen (g.4) Ratten. Normales Aussehen der Dermis bei der Kontrollratte (G.2) und minimale Entzündungszellinfiltration in der behandelten Gruppe (G.5).

Die Wirkung des direkten und indirekten Kontakts des GbH wurde durch modellbasierte In-vitro-Tests unter Verwendung von Embryonen von Salzgarnelen (Artemia salina) und Zebrafischen (Danio rerio) untersucht. Der Salzgarnelen-Lethalitätstest ist ein Schnelltest zur Bewertung der Zytotoxizität44. Das in Phosphatpuffer getauchte und 24 Stunden bei 35–37 °C inkubierte GbH wurde als Testlösung für den Salzgarnelen-Assay verwendet. Die 24 h geschlüpften Nauplien (n = 10) wurden in unterschiedlichen Verhältnissen (1:4, 1:1 und 1:0) der Testlösung und künstlichem Meerwasser beimpft. Die Entwicklung der aktiven Jungen bis zum Naupliarstadium mit gesundem Wachstum der Körpergröße und der Antennenbehaarung (Abb. 4e–e.5) war ein Hinweis auf die ungiftige Natur der GbH-Testlösung. Die Proben mit direktem Kontakt des in Meerwasser getauchten GbH zeigten ebenfalls ein ähnliches Wachstumsmuster des Nauplius. Bei dem im indirekten Test verwendeten Verhältnis von 1:0 wurde eine Sterblichkeitsrate von 10 % beobachtet, was auf das Vorhandensein eines geringen Salzwassergehalts zurückzuführen ist. Dagegen wurde beim direkten Kontakt der in GbH eingetauchten Proben eine Sterblichkeitsrate von 15 % beobachtet, da sich die Nauplien im GbH verhedderten. (Abb. 4e.5)45. Die in den bebrüteten Platten und im belüfteten Aquarium aufbewahrten Kontrollen zeigten ähnliche Wachstumsmuster der Nauplien.

Der Fischembryo-Test (FET)-Assay mit Zebrafischembryonen (n = 10) (Abb. 4f, f.1) wurde ähnlich wie der Salzgarnelen-Letalitätstest mit geringfügigen Modifikationen unter Verwendung von E3-Medium durchgeführt46. Die Embryonen wurden jeden Tag beobachtet, um etwaige Entwicklungsveränderungen aufgrund ihrer direkten GbH-Exposition und der ausgelaugten GbH-Testlösung gemäß den OECD-Richtlinien für die Prüfung von Chemikalien Nr. 212: Fisch, Kurzzeittoxizitätstest an Embryonen und Jungfischen zu protokollieren Stufen47,48. Die apikalen Beobachtungen wurden an jedem getesteten Embryo (Abb. 4f, f.1) alle 24 Stunden bis 96 Stunden nach der Befruchtung (hpf) und der Schweregradskalierung (Tabelle 6) der Toxizität des GbH auf die Entwicklung der Embryonen durchgeführt wurde aufgenommen. Die anderen Beobachtungen umfassten Augenentwicklung, Bewegung, Blutzirkulation und Pigmentierung, Kopf-Körper-Entwicklung, Bildflosse und hervorstehenden Mund49. Darüber hinaus wurde der Beginn des Schlüpfens nach ca. 72 Stunden sowohl in der Behandlungs- als auch in der Kontrollgruppe dokumentiert (Abb. 4f, f.1). Die negativen Ergebnisse (Tabelle 6) in der Schweregradskalierung deuteten auf eine gesunde Entwicklung des Zebrafischembryos bei direktem und indirektem Kontakt mit dem GbH hin.

Das Experiment zur akuten dermalen Toxizität wurde gemäß den Regulierungsrichtlinien der OECD-402 für die Prüfung von Chemikalien50 durchgeführt. Die Bestimmung des Toxizitätsbereichs und die Bestätigungsstudie wurden an ausgewählten gesunden Wistar-Albino-Ratten (n = 10) nach der Akklimatisierung durchgeführt. Das Testmaterial GbH verursachte bei den getesteten Wistar-Albino-Ratten während des gesamten Beobachtungszeitraums (14 Tage) weder Mortalität noch zeigte es irgendwelche klinischen Anzeichen von Toxizität (Tabelle 7). Unter den Testbedingungen von OECD-402 ergab das Experiment nicht die dermale LD50 des GbH bei Ratten und die Formulierung war bis zu 2000 mg/kg Körpergewicht (> 2000) ungiftig. Die GbH-exponierten Ratten überlebten das Versuchsprotokoll und wurden getötet, da keine Autopsie erforderlich war (Tabelle 8). Die histopathologischen Ergebnisse (Abb. 4g–g.5) zeigen eindeutig keine Anzeichen einer Entzündung oder Anomalien im angewendeten Bereich des GbH in der männlichen und weiblichen Gruppe.

Der In-vitro-Kratzwunden-Assay zeigte eine effiziente Zellmigration in den Kratzern in den HaCat-Zellen, die der Auslaugung des GbH und des mit Quercetin beladenen GbH im Medium ausgesetzt waren (Abb. 5a). Der Zellmonoschichtkratzer wurde im Vergleich zu den Kontrollen innerhalb von 24 Stunden nach Einwirkung des Biomaterial-Auslaugmediums teilweise geschlossen. Die in regelmäßigen Abständen aufgenommenen Bilder wurden qualifiziert, um die Untoxizität des GbH zu beweisen, was eine effiziente Zellmigration für den Wundverschluss begünstigt51. Das beobachtete Schließen der künstlichen Lücke, des „Kratzers“, auf der konfluenten Zellmonoschicht von HaCat-Zellen, wobei sich die Zellen am Rand der neu geschaffenen Lücke in Richtung der Öffnung bewegten, um den „Kratzer“ zu schließen. Dadurch wurden erneut neue Zell-Zell-Kontakte im Quercetin-beladenen und unbeladenen GbH hergestellt (Abbildung a. 24 hQ-GbH). Über eine ähnliche Beobachtung eines effizienten Wundverschlusses bei einem in-vitro-ischämischen Scratch-Assay mit geringen Mengen an Immunzellinfiltration und Zytokinen aufgrund von Quercetin wurde berichtet52. Frühere Berichte über die Analyse von mit Quercetin beladenen Liposomen, die in unterschiedlichen Mengen an Carbopol und Gelatine entwickelt wurden, führten zu einer beschleunigten Heilung von Verletzungen, wodurch die Wundschließzeit erheblich verkürzt wurde53. Zahlreiche Forscher haben Quercetin als Modellarzneimittel zur Förderung der Wundheilung entwickelt54,55.

Wundheilungsleistung von GbH: (a) Kratzwundheilungsleistung von HaCat-Zellen in 100 % ersetztem GbH-inkubiertem Medium. (b) Veränderungen der Hautzugfestigkeit in den Gruppen Normal, Kontrolle, Cremebasis (Creme), Quercetin-beladene Creme (QC), GbH-Basis (Hydrogel), Quercetin-beladenes GbH (QH) und Silbersulfadiazin (SS). Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± SD mit n = 6 in jeder Gruppe dargestellt, ap < 0,05 im Vergleich zur Normalgruppe; bp < 0,05 im Vergleich zur Kontrollgruppe; cp < 0,05 im Vergleich zur Cream-Gruppe, dp < 0,05 im Vergleich zur QC-Gruppe, ep < 0,05 im Vergleich zur Hydrogel-Gruppe, fp < 0,05 im Vergleich zur QH-Gruppe, gp < 0,05 im Vergleich zur SS-Gruppe. (c) Die Wirkung der Behandlungen auf die Verbrennungswundenkontraktion (%) an Tag 4, Tag 7, Tag 11, Tag 14 und Tag 21 war eine überlegene und schnellere Wundkontraktion im Vergleich zur Kontroll- und Placebogruppe. (d) Veränderungen in der Wundkontraktion der mit Normal-, Kontroll-, Creme-, QC-, Hydrogel-, QH- und SS-behandelten Gruppen.

Die Nahrungsaufnahme, der Wasserverbrauch und die Körpermasse der Wistar-Ratten mit Brandverletzungen blieben unverändert. Unmittelbar nach der Brandverletzung zeigte die Haut im Rückenbereich eine Schwellung. Ab Tag 4 waren die Läsionen in Form roter Flecken erkennbar und am Tag 7 war nekrotisches Gewebe mit einer Kruste überzogen.

Eine frühe Epithelisierung der Wunden (Tabelle 9) wurde in den behandelten Gruppen beobachtet, denen 1 % Quercetin GbH (QH) und Silbersulfadiazin (SS) verabreicht wurden. Die Kontrollgruppe zeigte erst am 21. Tag eine ordnungsgemäße Wundheilung, während die QH- und SS-Gruppe ab dem 14. bzw. 16. Tag eine frühe Epithelisierung der Wunden aufwiesen. Die Placebo-Gruppen (d. h. die mit Cremebasis behandelte Gruppe (Cream) und die mit GbH-Base behandelte Gruppe (Hydrogel) beobachteten eine frühe Epithelisierung ab dem 16. und 17. Tag. Die Placebogruppen zeigen die positive Wirkung der wirkstoffbeladenen GbH- und -Creme-Formulierung.

Die Testgewebeproben wurden maschinell eingespannt und die maximale Kraft, die zum Zerreißen der Proben erzeugt wurde, zeigte die Qualität des Gewebes an. Es wurde ein signifikanter Unterschied in der Gewebezugfestigkeit (Abb. 5b) zwischen der Kontrollgruppe und allen Behandlungsgruppen (p < 0,05) beobachtet. Die Zugfestigkeit der QH- und SS-Gruppen betrug 24,4 bzw. 23,37 N, während die Kontrollgruppe 3,77 N aufwies. Die bessere Zugfestigkeit der QH- und SS-Gruppen lag in einem ähnlichen Bereich, während die Zugfestigkeit der QH- und SS-Gruppen auf die Notwendigkeit einer Brandwundenversorgung hinwies Die mit Creme und Hydrogel behandelte Placebogruppe zeigte 10,1 N und 19,32 N mit einem signifikanten Unterschied (p < 0,05) im Vergleich zur arzneimittelbeladenen Formulierung, was die positive Rolle des GbH bei der Wundheilung bei Verbrennungen unterstreicht. Die Wiederherstellung der Zugfestigkeit von QH und SS bewies die Normalisierung der Haut mit einer Zugfestigkeit von 28,45 N am 21. Tag.

Der Prozentsatz der Wundkontraktion (Abb. 5c, d) war für die QH- und SS-Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höher (p < 0,05). Das Ergebnis des GbH-vermittelten Wundverschlusses bei Verbrennungen zweiten Grades am Rattenmodell hat sich als vorteilhaft erwiesen. Die mit QH behandelten Tiere zeigten einen stärkeren Wundverschluss (45,00 ± 1,46 % am Tag 4; 98,24 ± 3,1 % am Tag 14) als die mit SS behandelten Tiere (47,67 ± 1,8 % am Tag 4; 96,4 ± 2,2 % am Tag 14) und die unbehandelte Kontrollgruppe (18,00 ± 2,5 % am Tag 4; 54,52 ± 1,25 % am Tag 14) am Tag 4 bzw. am Tag 14 (Abb. 5,d). Die groben morphologischen Studien zeigten eine verminderte Entzündung und Rötung sowie eine begrenzte Narbenbildung in der QH-Gruppe am 14. Tag. Außerdem verjüngte sich die Epidermis in den mit QH und SS behandelten Wunden zu der normalen Hautarchitektur, während bei den mit QH und SS behandelten Wunden Anzeichen einer Entzündung und ein vorzeitiger Wundverschluss beobachtet wurden Kontrollgruppen am 21. Tag (Abb. 5d)

Die Malondialdehyd (MDA)-Werte (Abb. 6a) der mit QH behandelten Gewebeproben wurden mit 0,814 nmol MDA/ml umkodiert und waren mit 2,147 nmol MDA/ml niedriger als in der Kontrollgruppe (p < 0,05), wohingegen normale Haut mit 0,814 nmol MDA/ml erfasst wurde 0,705 nmol MDA/ml. Ein erheblicher Anstieg (p < 0,05) im MDA der Kontrollgruppe ist ein Zeichen für eine Lipidperoxidschädigung, die auf eine Schädigung durch freie Radikale hinweist und zu einer unvollständigen Wundheilung am 21. Tag führt. Die MDA-Werte der mit QH und SS behandelten Gruppen betrugen 0,814 und 0,827 nmol MDA/ml, jeweils identisch und vergleichbar mit normalem Hautgewebe. Die verringerten MD-Werte in den mit QH behandelten Proben weisen auf die Wirkung von Quercetin bei der Reduzierung der Lipidperoxidation und dem antioxidativen Schutz während der Heilung von Verbrennungswunden hin. Über einen antioxidativen Schutz gegen durch Verbrennungen verursachte oxidierte Schäden durch orale und topische Behandlung von Myrte (Myrtus communis) wurde bereits berichtet56. Daher wird die Umkehrung der biochemischen Indizes auf die potenzielle antioxidative Wirkung entzündungshemmender Verbindungen zurückgeführt.

In-vivo-Wundheilungsveränderungen bei (a) MDA; (b) GSH; (c) CAT; (d) HXP; (e) HXA- und (f) NF-κB-Spiegel der Gruppe „Normal“, „Kontrolle“, „Cremebasis“ (Cream), „Quercetin-beladene Creme“ (QC), „GbH-Base“ (Hydrogel), „Quercetin-beladenes GbH“ (QH) und „Silbersulfadiazin“ (SS) behandelte Gruppen. Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± SD mit n = 6 in jeder Gruppe dargestellt, ap < 0,05 im Vergleich zur Normalgruppe; bp < 0,05 im Vergleich zur Kontrollgruppe; cp < 0,05 im Vergleich zur Cream-Gruppe, dp < 0,05 im Vergleich zur QC-Gruppe, ep < 0,05 im Vergleich zur Hydrogel-Gruppe, fp < 0,05 im Vergleich zur QH-Gruppe, gp < 0,05 im Vergleich zur SS-Gruppe. 2-D- und 3-D-Bild der Quercetin-Interaktion mit: (g) und (g.4) 1SVC-Zielinteraktion; (g.1) und (g.5) 3BRV-Zielinteraktion; (g.2) und (g.6) 1NFI-Zielinteraktion und (g.3) und (g.7) 2E7A-Zielinteraktion.

Sowohl nicht-enzymatische als auch enzymatische Antioxidantien, also Glutathion (GSH) bzw. Katalase (CAT), spielen eine herausragende Rolle bei der dynamischen Regulierung des reaktiven Sauerstoffgehalts und seiner beabsichtigten Schädigung und begünstigen so die Wundheilung57,58. In den Kontrollproben wurden die GSH- (Abb. 6b) und CAT-Werte (Abb. 6c) mit 2,24 μmol/g bzw. 14,83 μmol eingesetztem Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/min aufgezeichnet. In der Kontrollgruppe wurde im Vergleich zur behandelten und normalen Gruppe eine signifikante Verringerung der GSH- (Abb. 6b) und CAT-Spiegel (Abb. 6c) beobachtet (p < 0,05). Die mit QH und SS behandelten Gruppen zielten auf die Wiederherstellung der regulären Gewebefunktion von GSH (2,13 bzw. 2,14 μmol/g Gewebe) und CAT mit (22,41 bzw. 25,341 μmol genutztem Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/min) ab, was vergleichbar ist mit das der normalen Gruppe mit 2,24 μmol/g Gewebe-GSH und 30,182 μmol eingesetztem Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/Minute CAT (Abb. 6b und c). Das QH stellte die GSH- und CAT-Spiegel bis zum 21. Tag im Vergleich zu den Placebos signifikant wieder her (p < 0,05) (GSH: 1,48 und 1,8 μmol/g und CAT: 15,533 und 18,207 μmol verwendetes Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/ min für Creme- und Hydrogel-Gruppen) und die mit 1 % Quercetin-Cremebasis behandelte Gruppe (QC) mit 1,65 μmol/g Gewebe bzw. 28,554 μmol eingesetztem Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/min.

Die Hydroxyprolin- (HXP) und Hexosamin- (HXA)-Spiegel im Testgewebe können mit der beobachteten Heilung korreliert werden. Das HXP ist das entscheidende Element von Kollagen, während das HXA das Grundsubstrat für den Aufbau von Bindegewebskomponenten ist59. Somit stellen die HXP- und HXA-Werte einen perfekten Kandidaten für einen Bindegewebsmarker bei der Wundheilung dar. Während des Heilungsprozesses stiegen die HXP- und HXA-Gehalte in allen behandelten Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe (Abb. 6d und e). Die HXP- und HXA-Werte der Verbrennungsgruppe ohne Behandlung betrugen 38,911 bzw. 40,477 μg/ml und waren damit deutlich niedriger (p < 0,05) im Vergleich zu denen der Normalgruppe mit 97,546 bzw. 107,752 μg/ml. Die QH- und SS-Gruppen stellten ihre HXP- und HXA-Funktionswerte auf 83,053 und 76,343 bzw. 95,698 μg/ml und 89,22 μg/ml wieder her, wie in der normalen Gruppe mit 97,546 und 107,752 μg/ml am 21. Tag beobachtet. Das QH wurde im Wesentlichen wiederhergestellt ( p < 0,05) die Werte von HXP und HXA im Vergleich zu den Placebo-Gruppen (HXP: 52,858 und 58,729 μg/ml und HXP: 63,559 und 66,898 μg/ml für Creme- und Hydrogel-Gruppen) und QC (HXP: 68,160 und HXA: 73,785 μg/ml) Gruppen wie am 21. Tag. Interessanterweise wurden in der SS-Gruppe 76,343 und 89,221 μg/ml Gewebe-HXP- und HXA-Spiegel neu kodiert, ähnlich wie in der QH-Gruppe. Der erhebliche Rückgang der HXP- und HXA-Werte im Kontrollgewebe weist auf niedrige Kollagenwerte, eine unzureichende Bindegewebsbildung und einen unzureichenden Wundheilungsprozess hin. Somit unterstreicht die Beobachtung in der mit QH behandelten Gruppe die beabsichtigte Heilwirkung der Formulierung.

Die Funktionen von NF-κB bei der Wundheilung sind vielfältig, da es Entzündungen und Zellüberleben moduliert und die Umgestaltung von Zellverbindungen und den Aufbau einer Zytoskelettstruktur um die Wunde herum fördert60. Die NF-κB-Spiegel der Kontrollgruppe betrugen 5,88 ng/ml und waren im Vergleich zur Normalgruppe mit 3,95 ng/ml signifikant hoch (p < 0,05), was auf eine Persistenz der Entzündung hindeutet. Die mit QH und SS behandelten Gruppen stellten ihre üblichen NF-κB-Funktionsniveaus wieder her und wurden bei 3,61 und 3,52 ng/ml beobachtet, ähnlich den NF-κB-Gewebewerten der normalen Gruppe (Abb. 6f). Das QH stellte die NF-κB-Spiegel im Wesentlichen wieder her (p < 0,05) im Vergleich zu den Placebos (5,11 und 4,75 ng/ml Gewebe-NF-κB-Spiegel der Creme- und Hydrogel-Gruppen) und den QC-behandelten Gruppen (4,46 ng/ml Gewebe-NF-κB-Spiegel). ) wie am 21. Tag. Somit unterstreichen die Ergebnisse die Wirkung von GbH bei der Erleichterung der Wundheilung und der Wiederherstellung der erwarteten Funktion von NF-κB ähnlich einem normalen Hautgewebe.

Der Transkriptionsfaktor NF-κB und das multifunktionale Zytokin TNF-α sind wirksame Entzündungsmediatoren, die aktiv eine vorherrschende Rolle bei zellulären Ereignissen wie Zellüberleben, Zellproliferation, Differenzierung und Zelltod spielen61. Forscher haben Quercetin als Modellmedikament zur Verbesserung der Wundheilung gut etabliert53,56, und die aktuelle Studie unterstreicht die vorteilhaften Wirkungen des mit Quercetin ergänzten GbH bei der Heilung von Verbrennungswunden zweiten Grades in Rattenmodellen. Die In-silico-Analyse von Quercetin im Vergleich zu den potenziellen Entzündungsmediatorzielen (Abb. 6g–g.8 und Tabelle 10) ergab einen hervorragenden Bindungswert und Wasserstoffbrückenbindungen zu mehreren Aminosäuren. Die Verbindung bindet an die p50-Domäne des Proteins 1SVC, das in den Zellkern wandert, wo es an die DNA bindet (Abb. 6g, g.4). Die Coiled-Coil-Region von 3BRV liegt zwischen den Positionen 49–356 (Abb. 6g.1, g.5). Viele Coiled-Coil-Regionen sind an entscheidenden biologischen Funktionen beteiligt, beispielsweise an der Regulierung der Genexpression. Die Region zwischen 44 und 111 von 3BRV beteiligt sich aktiv an der Interaktion mit CHUK/IKBKB und ermöglicht so die IKK-vermittelte Phosphorylierung von RelA/p65, was insgesamt aktiv eine Entzündungsreaktion durch NF-κB-Aktivierung fördert. Die Domänenregion von 1NFI (Abb. 6g.2, g.6) zwischen 19 und 306 reguliert funktionell die Zugänglichkeit des RelA-Zielgen-Promotors. Quercetin bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit Aminosäuren in der 1NFI-Domänenregion, wodurch es funktionell inaktiv wird. Die Mutagenese an den Positionen 105 und 108 des Proteins 2E7A (Abb. 6g.3, g.7) hat zu geringer Aktivität und Inaktivität geführt62. Das aktuelle Andocken verdeutlicht die Bindung von Quercetin in der aktiven Region von 2E7A.

Die normale Haut (Abb. 7a) zeigt in der histopathologischen Beurteilung eine Architektur mit einer gut definierten Epidermis- und Dermisschicht. Die Epithelschicht (x) ist intakt und weist keine Anzeichen einer Entzündung auf. Die Dermis verfügt über viele Talgdrüsen (b) und gut definierte Kollagenfasern (c) in der oberen Schicht der Dermis. In der Kontrollgruppe (Abb. 7a.1) kommt es zu einem vollständigen Verlust der Epidermis und einer erheblichen Zerstörung der oberflächlichen Hautschichten (d). Im Vordergrund steht der vakuoläre zytoplasmatische Zerfall in der Basalzellschicht (e) sowie eine neutrophile Infiltration an der Verletzungsstelle (f). Die Haut zeigt eine Koagulation der Epidermis und Dermis und das denaturierte Kollagen erscheint geschwollen (g), homogen und von exsudativen Zellen infiltriert. Die Placebogruppe, die mit Cremebasis behandelte Gruppe (Abb. 7a.2), zeigte ein von Verbrennungen abgeheiltes Gewebe mit mäßiger Entzündung ohne Anzeichen einer epithelialen oder dermalen Regeneration (h). Die Basalzellschicht bleibt degeneriert (i) und deutlich vakuolisiert, was auf eine behinderte Heilung hinweist. Die Kollagenfasern bleiben degeneriert (j), ohne Anzeichen einer mikrovaskulären Regeneration. In ähnlicher Weise weist die Placebogruppe, die mit Hydrogelbasis behandelte Gruppe (dh die GbH) (Abb. 7a.4), Epithel mit einigen Anzeichen von regenerativem Wachstum auf (k). Eine geringfügige Abnahme der Vakuolisierung der Basalzellschicht (l) weist auf eine Heilung des Gewebes hin, und eine Abnahme der Schwellung der Kollagenfasern ist erkennbar (m).

Histopathologische Beurteilung der Verbrennungswunde am 21. Tag: Bei Mikrofotografien einer histopathologischen Untersuchung der Normalgruppe (a) wurde eine Standardmorphologie der Epidermis, Dermis und Hypodermis festgestellt. Bei der Kontrollgruppe (a.1) wurden deutliche Merkmale der Entwicklung von Brandkrusten in der Dermis und Epidermis, einer extremen Leukozytenaggregation, einer Verstopfung der Blutgefäße, der Haarfollikel und der Talgdrüsen beobachtet. Bei der topischen Anwendung der Creme und der GbH (Hydrogel)-Placebogruppe (a.2) und (a.3) wurden mäßige Leukozyten, eine Zerstörung der Blutgefäße und eine fortschreitende Degeneration der Haarfollikel und Talgdrüsen beobachtet. Die mit Quercetin behandelte Creme und die GbH-Gruppe (QC, QH) und Silbersulfadiazin (SS) (a.4), (a.5) und (a.6) zeigten keine Symptome einer Leukozytenansammlung, die durch die Epithelregeneration begünstigt wird. Die wiederhergestellte Hautarchitektur spiegelt die Regeneration der Epidermis nach der topischen Anwendung von Quercetin-beladenem GbH wider, was normaler Haut entspricht.

Die mit Medikamenten beladene, mit Creme behandelte Gruppe, dh QC (Abb. 7a.3), zielte auf die Regeneration der Epidermis- und Dermisschichten ab, wo ihre Differenzierung offensichtlich ist (q). Eine deutliche architektonische Wiederherstellung der Basalzellschicht zeigt sich in Form eines deutlich reduzierten Ödems und vernachlässigbarer Anzeichen einer Vakuolisierung (r). Die Heilung der Dermisschicht bleibt jedoch unvollständig, da in den Kollagenfasern (n) kleine Vakuolen vorhanden sind. In der medikamentös unterstützten GbH-Behandlungsgruppe, also QH, ist eine signifikante Epithelregeneration zu beobachten (Abb. 7a.5). Die Differenzierung in den Epidermis- und Dermisschichten scheint nahezu wiederhergestellt und weist eine normale histologische Architektur auf (t). Das Vorhandensein von Talgdrüsen (u) weist auf eine physiologische Wiederherstellung der Funktion des Hautgewebes hin. Die Basalzellschicht erscheint in Form und Architektur normal und weist keine Anzeichen einer Entzündung auf (v). Die kollagenen Fasern in der Dermis weisen keine Anzeichen einer Schwellung oder anderer entzündlicher Merkmale auf (w). Die Positivkontrolle der mit SS-Creme behandelten Gruppe (Abb. 7a.6) zeigt eine deutliche Epithelregeneration (n). Die Basalzellschicht zeigt restaurative Veränderungen, erkennbar an einer deutlich verminderten Vakuolisierung (o). Bei geringen Mengen können jedoch immer noch Schwellungen und Ödeme in den Kollagenfasern (p) beobachtet werden.

Die Haut ist das größte und wichtigste Organ unseres Körpers und dient als äußere Abwehrschicht. Schäden an der Haut beeinträchtigen die verschiedenen Funktionen und beeinträchtigen die Arbeitsfähigkeit und Unabhängigkeit des Patienten. Eine Verbrennungsverletzung ist eine traumatische Erfahrung und je nach Schwere der Wunde stellen langsame Wundheilung, Infektionen, Schmerzen und hypertrophe Narbenbildung weiterhin eine große Herausforderung in der Verbrennungsforschung und -behandlung dar63. Eine Brandwunde erfährt aufgrund der direkten Hitzeeinwirkung eine hohe Kapillarpermeabilität, was dazu führt, dass das Plasma aus den Kapillaren in die Zwischenräume austritt. Während einer Verbrennung bestehen ein erhöhter Plasmaaustritt und eine erhöhte Kapillarpermeabilität bis zu 48 Stunden und sind in den ersten 8 Stunden am höchsten. Brandwunden sind empfindlich und je nach Schwere der Wunde verspürt der Patient Schmerzen. Das Auftreten von Plasmalecks und allgemeiner Kapillarpermeabilität ist ein spezifisches Phänomen bei Verbrennungswunden64. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf weiche Wundauflagen, die aufgrund der bioinspirierten Eigenschaft von Polydopamin klebrig sind. Ein solcher weicher Wundverband kann bei der Behandlung von Brandwunden von Vorteil sein, da die Klebrigkeit des Hydrogels nicht extrem klebrig und zäh ist. Bei vielen auf dem Markt erhältlichen Versiegelungsmitteln auf Gelatinebasis können Gewebeklebstoffe für die Gewebereparatur von Vorteil sein1,8,18. Solche Gewebeverletzungen erfordern sofortige Aufmerksamkeit, um die normale Organfunktionalität wiederherzustellen. Bei schweren Verletzungen im Zusammenhang mit Traumata oder Operationen wird von Gewebeklebstoffen erwartet, dass sie stark, robust, elastisch und ungiftig sind und eine vielfältige Oberflächenhaftung bieten8.

Die durch das Lösungsgussverfahren hergestellte Hydrogelmischung war durchscheinend und zeigte keine klebrigen Eigenschaften (Abb. 8a). Die Mischung aus PVA-Stärke und vernetzt mit GA diente als Basis, um die klebrige Eigenschaft weiter zu integrieren. Die jüngste bioinspirierte Forschung tendiert dazu, die Polymereigenschaften von Hydrogelen zu verändern2,18. Über die Praxis, mit Alkali polymerisiertes Dopamin65 zu verwenden, um verschiedene Oberflächenklebrigkeitseigenschaften in einem Polyacrylamid- und Bisacrylamid-Hydrogelsystem zu induzieren, wurde bereits berichtet4, obwohl verschiedene Forscher dessen krebserzeugende Wirkung nachgewiesen haben66. Die vorliegende Forschung zielt auf eine hoch biokompatible Zusammensetzung und ein kostengünstiges bioinspiriertes Hydrogel ab, das mithilfe von alkalischem polymerisiertem Dopamin auf verschiedenen Oberflächen geklebt werden kann. Die Schätzungen der physikalischen Eigenschaften des GbH zeigten die guten Quelleigenschaften in verschiedenen Lösungsmitteln, die den physiologischen Zustand der Wunde nachahmen (Abb. 8a). Hydrogele auf Polyelektrolytbasis erweisen sich aufgrund der Ladungsabstoßung an den Polymerketten als vorteilhaft für die kontrollierte Wirkstofffreisetzung29,30. Verbrennungswunden weisen im Vergleich zu normalen Wunden einen größeren Flüssigkeitsverlust von 5000 g/m²/Tag auf. Die aktuelle Zusammensetzung der GbH weist niedrige WVT- und hohe MRC-Werte auf und ist mit der Kontrolle vergleichbar31. Die wesentlichen Parameter Schwellungsprozentsatz WVT, MRC und GF ermöglichen die Exsudataufnahme und reduzieren den Wassertransfer aus der Wunde. Dadurch wird eine Voraussetzung für eine wirksame Wundheilung durch eine ordnungsgemäße Arzneimitteldiffusion gewährleistet.

Highlights der GbH in der aktuellen Forschung: (a) Entwicklung eines bioinspirierten, gelatinebasierten, klebrigen Hydrogels mit vielfältiger Oberfläche für die Wundversorgung bei Verbrennungen zweiten Grades; (b) Schematische Darstellung der Oberflächeninteraktion der Catecholgruppe mit dem Bereich der Brandwunde; (c) Wechselwirkung zwischen weichem Wundpflaster und Wundgewebe; weiches Wundpflaster; (d) QH auf einer Brandwunde zweiten Grades platziert; (e) Beobachtbare Wundheilung am dritten Tag (Pfeil) des Verbandes und (f) Absorption von Exsudaten: ein Kennzeichen des idealen Hydrogels.

In vivo zeigte der dermale Wundverband GbH (Tabelle 11) eine beschleunigte Regeneration des Hautgewebes. Das GbH ließ sich leicht entfernen, ohne Rückstände oder Schmerzen am Rattenmodell zu hinterlassen. Die klebrige GbH bestätigt ihre vielfältige Oberflächenleistung. Die freie Catecholgruppe von Polydopamin interagiert mit Amingruppen der Gewebeoberfläche (Abb. 8b)25. Die Heilung von Brandwunden blieb in der Kontrollgruppe von Tag 1 bis Tag 7 konstant. Andererseits war das Ausmaß der Heilung in der Mehrzahl der Gruppen, die mit Brandwunden behandelt wurden, ab Tag 3 vorherrschend. Die histopathologische Analyse fast aller Behandlungsgruppen zeigte eine Heilung von Brandwunden, aber die QH zeigte einen besseren und schnelleren Heilungsprozess als die mit Cremeformulierung behandelte Gruppe und war der mit SS behandelten Gruppe ähnlich. Die GbH-Formulierungen haben gegenüber den Creme-Formulierungen den Vorteil, dass erstere jeden dritten Tag durch neue Formulierungen ersetzt werden können, während die Creme-Formulierung täglich aufgetragen werden muss. Der GbH als weicher Wundverband (Abb. 8c) war für die Ratten nicht schmerzhaft und es gab keine signifikante Rötung oder Veränderung in der Ernährungsroutine der Ratten aufgrund der Zufügung einer Verbrennungswunde zweiten Grades oder des GbH-Verbands (Abb. 8d).

Ein bemerkenswertes Ergebnis der vorliegenden Untersuchung ist die Entwicklung rosafarbener und frischer Zellen (Abb. 8e) entlang der Wundgrenze am dritten Tag bei der mit Quercetin ergänzten GbH-Behandlung (QH-Gruppe), was bei keiner anderen behandelten Gruppe der Fall war. Ein neuerer Befund zur Förderung der Wundheilung durch die Quercetin-Dosierung begünstigte eine Hemmung der mitogenaktivierten Proteinkinase und der NF-κB-Aktivierung im In-vitro-Zellkratztest, was der Heilung von Druckläsionen förderlich war52. In ähnlicher Weise bestätigte auch die Placebogruppe in der vorliegenden Forschungsarbeit die signifikante Wirkung des mit Quercetin beladenen GbH auf die Heilung der Brandwunde zweiten Grades. Frühere Berichte über eine Analyse von mit Quercetin beladenen Liposomen, die in unterschiedlichen Mengen an Carbopol und Gelatine entwickelt wurden, führten zu einer beschleunigten Heilung von Verletzungen, wodurch die Wundschließzeit erheblich verkürzt wurde53. Zahlreiche Forscher haben Quercetin als Modellarzneimittel zur Förderung der Wundheilung entwickelt54,55. Ebenso betont die aktuelle Forschung den positiven Einfluss von mit Quercetin ergänztem GbH auf die Heilung von Verbrennungswunden zweiten Grades in Rattenmodellen. Zu den weiteren Highlights der GbH in der vorliegenden Untersuchung gehörten die Eigenschaften von Hydrogel, Exsudate zu absorbieren und ein sauberes, feuchtes und heilendes Milieu aufrechtzuerhalten (Abb. 8f), um die Wundheilung zu fördern.

Es ist wichtig zu bedenken, dass die Wundheilung ein komplexer Prozess ist, an dem verschiedene Faktoren beteiligt sind, beispielsweise ein feuchtes und warmes Milieu. Gemäß der „Theorie der feuchten Wundheilung“ ist daher ein feuchter Heilungszustand ideal für die Entwicklung von Granulationsgewebe und die Förderung der Trennung von Hautzellen. Die GbH-Formulierung erkennt solche entscheidenden Elemente und erleichtert eine schnelle Wundheilung, indem sie überschüssiges Exsudat absorbiert und den Austausch von Sauerstoff und Wasserdampf ermöglicht. Es schützt auch vor mikrobiellen Invasionen. Das in der vorliegenden Untersuchung formulierte GbH ist ungiftig, nicht allergen, praktisch und kostengünstig. Es verfügt über eine kontrollierte Arzneimittelabgabefunktion und Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, auf verschiedenen Oberflächen zu haften, beispielsweise auf medizinischen Implantaten und auf nassen oder trockenen Wundoberflächen. Das GbH kann als vorbeugendes Anti-Infektionspflaster zur Bekämpfung bakterieller oder Pilzinfektionen der Haut verwendet werden. Das entwickelte GbH wurde in Rattenmodellen als ideales Wundauflagematerial für Teilbrandwunden zweiten Grades validiert. Die oben genannten Erkenntnisse gipfeln in der Tatsache, dass die bioinspirierte Formulierung des GbH die Wundheilung und Hautreparatur von Verbrennungswunden zweiten Grades in Rattenmodellen verbessern kann, was seinen präklinischen Einsatz validiert.

Eine detaillierte Beschreibung der Materialien und Methoden finden Sie in SI Materials and Methods.

Das Experiment wurde am Institute for Industrial Research & Toxicology, F-209, UPSIDC, MG Road, Ghaziabad-201302, Indien, durchgeführt und das Experiment wurde mit der Projektnummer: 202112-25 gekennzeichnet; Berichts-Nr.: IIRT/TOX/202112/ADT/0112; Datum: 14.12.2021. Alle Methoden wurden gemäß den Richtlinien und Vorschriften des Ausschusses für die Kontrolle und Überwachung von Tierversuchen (CPCSEA), Neu-Delhi, Indien, durchgeführt. Die in der aktuellen Studie implementierten Methoden entsprechen den ARRIVE-Richtlinien 2.067. Ein Protokoll, das die Studien zur akuten dermalen Toxizität, die Behandlungsgruppen und den Aufbau des Experiments detailliert beschreibt, ist in SI Materials and Methods erwähnt. Das Protokoll für die dermale Toxizitätsstudie war 14 Tage lang und die Tiere wurden durch eine Überdosis Isofluran unter Verwendung eines Kleintieranästhesiesystems eingeschläfert.

Ratten (beide Geschlechter) mit einem Gewicht zwischen 250 und 300 g wurden von der Disease-Free Small Animal House Facility (DFSAH) der Lala Lajpat Rai University of Veterinary and Animal Sciences (LUVAS), Hisar, Haryana, Indien, beschafft. Alle Methoden wurden gemäß den Richtlinien und Vorschriften des Ausschusses für die Kontrolle und Überwachung von Tierversuchen (CPCSEA), Neu-Delhi, Indien, durchgeführt. Die in der aktuellen Studie implementierten Methoden entsprechen den ARRIVE-Richtlinien 2.067. Die Tiere wurden vor dem Experiment sieben Tage lang unter Quarantäne gestellt und im Central Animal House Facility (CPCSEA-Registrierungsnummer 1753 Wistar /PO/E/S/14/CPCSEA) zur Akklimatisierung untergebracht. Die Versuchstiere wurden in sieben Gruppen (n = 6) eingeteilt und die Protokolldauer betrug 21 Tage. Nach 21 Tagen wurden die Tiere durch eine Überdosis Isofluran unter Verwendung eines Kleintieranästhesiesystems eingeschläfert. Ein Protokoll, das die Einleitung von Verbrennungen zweiten Grades, die Behandlungsgruppen und den Aufbau des Experiments detailliert beschreibt, wird in SI Materials and Methods erwähnt.

Die Tiere wurden betäubt und durch Enthauptung getötet, und Hautgewebeproben wurden gemäß den Standardprotokollen entnommen und verarbeitet. Die zur histologischen Beobachtung verwendeten Proben wurden in 10 % neutral gepuffertem Formalin gelagert. Konstruktive pharmakologische Kriterien, einschließlich der Zeit der Epithelisierung und der Wundkontraktion, wurden durch regelmäßige Protokolle überwacht68. Die Qualität der von Verbrennungen geheilten Haut wurde im Vergleich zu einer normalen Gruppe mit einem Wundstreckgerät, EFG500E, und einem digitalen Kraftmessgerät von EFGE bewertet. Die histologischen Untersuchungen begannen unmittelbar am 21. Tag, direkt nach der Entstehung der Brandverletzung.

Nach der Enthauptung am 21. Tag wurde die gesamte Dicke der verheilten und natürlichen Haut (1 cm2) vorsichtig entfernt. Das Gewebe wurde gewogen und dann mit einem Glashomogenisator bei 4 °C in 1 × PBS (Gewebegewicht (g): PBS (ml) Volumen = 1:9) homogenisiert und anschließend 30 Minuten lang bei 10.000 g bei 4 °C zentrifugiert . Zu den biochemischen Parametern gehören Malondialdehyd (MDA)69, Glutathion (GSH)70 und (Katalase) CAT71 der homogenisierten Hautprobe gemäß Standardprotokollen, die mit einem UV/sichtbaren Doppelstrahlspektrophotometer (Shimadzu) analysiert und in nmol ausgedrückt wurden MDA/ml, μ-mol/g Gewebe bzw. µmol genutztes Wasserstoffperoxid/mg/Gewebe/min.

Das Hydrolysat des Hautgewebes wurde gemäß dem zuvor erwähnten Protokoll von Tag 2172 hergestellt. Der Gehalt an Hydroxyprolin (HXP) und Hexosamin (HXA) von granuliertem Gewebe wurde unter Verwendung eines UV/sichtbaren Doppelstrahlspektrophotometers, Shimadzu, gemäß den zuvor erwähnten Protokollen und geschätzt ausgedrückt in μg/mg Gewebe.

Der Kernfaktor Kappa B (NF-κB) der homogenisierten Hautprobe wurde auf der Grundlage der Sandwich-ELISA-Theorie unter Verwendung des Rat NF-ŚB ELISA Package (Biolab Technology Laboratory, Shanghai Korian Biotech Co., Ltd) gemessen. Die Probe wurde gemäß dem Protokoll des Bedieners vorbereitet und innerhalb von 10 Minuten bei 450 nm mit einem Mikroplatten-Lesegerät (Alere AM 2100) gemessen.

Eine Ratte aus jeder Gruppe wurde am 21. Tag nach der Verletzung zur histopathologischen Untersuchung eingeschläfert. Gewebeproben (2 × 3 mm), die in gepuffertes Formalin (10 %) eingelegt und mit Alkohol dehydriert wurden, wurden herausgeschnitten und schließlich in Paraffinwachsblöcke eingelegt. Zur Beurteilung pathologischer Veränderungen wurden dünne Gewebeproben (5 μm) mit Hämatoxylin und Eosin (H und E)73 angefärbt. Die gefärbten Objektträger wurden unter einem Olympus CX41-Mikroskop, Olympus Life Science Solutions, mit der Magnus Pro Image Analysis-Software untersucht. Die Objektträger wurden untersucht, um Stauung, Degeneration und Nekrose, Neovaskularisation, Fibroblastenproliferation und Epithelisierung, Ödeme und Leukozyteninfiltration festzustellen. Alle statistischen Ergebnisse wurden mithilfe einer Zwei-Wege-ANOVA-Methode analysiert, gefolgt von Tukeys Post-hoc-Analyse, wobei p ≤ 0,05 für alle Werte auf GraphPad Prism 8.4.3.686 als signifikant angesehen wurde.

Das Forschungsprotokoll zur akuten dermalen Toxizität von bioinspiriertem Gelatine-basiertem adhäsivem Hydrogel bei Wistar-Albino-Ratten gemäß den Regulierungsrichtlinien von „OECD 402“ für die Prüfung von Chemikalien wurde am Institute for Industrial Research & Toxicology, Ghaziabad, Indien, Projekt Nr .: 202112-25; Berichts-Nr.: IIRT/TOX/202112/ADT/0112.

Das Forschungsprotokoll zur Wundheilung bei Verbrennungen zweiten Grades wurde vom Institutional Animal Ethics Committee (IAEC) des Khalsa College of Pharmacy, Amritsar, Punjab, genehmigt. siehe Zulassungs-Nr. IAEC/KCP/2020/008.

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Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Referenzen herunterladen

Wir möchten der Animal House Facility des Khalsa College of Pharmacy, Amritsar, Indien, danken, die uns ihre Türen für eine gemeinsame Studie mit der School of Biotechnology des National Institute of Technology Calicut, Kozhikode, Indien, geöffnet hat. Besonderer Dank geht an Dr. Madhukar Saxena von der Babasaheb Bhimrao Ambedkar University Lucknow für die Unterstützung während der Endphase. Wir möchten uns auch bei Dr. Anugya Bhatt und ihrem Team dafür bedanken, dass sie es uns ermöglicht haben, die Toxizitätsoptimierung des Hydrogels durchzuführen.

Fakultät für Biotechnologie, National Institute of Technology Calicut, Kozhikode, Indien

Benu George & Suchithra TV

Abteilung für Pharmakologie, Khalsa College of Pharmacy, Amritsar, Punjab, Indien

Nitish Bhatia & Abhitinder Kumar

School of Medical and Allied Sciences, GD Goenka University, Haryana, Indien

Nitish Bhatia

CSIR-Central Leather Research Institute, Adyar, Chennai, Indien

Gnanamani A., Thilagam R. & Shanuja SK

Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie, Abteilung für Zoologie, Universität Calicut, Kozhikode, Indien

Kannan Vadakkadath Meethal & Shiji TM

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BG: Konzeptualisierung, Validierung, Methodik, Untersuchung, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf; STV: Methodik, Validierung, Supervision, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; NB und AK: Methodik, Ressourcen, formale Analyse, Bearbeitung; GRT und SKS: Ressourcen, Bearbeitung; KVM und STM: Methodik, Ressourcen, Bearbeitung.

Korrespondenz mit Suchithra TV.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

George, B., Bhatia, N., Kumar, A. et al. Bioinspiriertes klebriges Hydrogel auf Gelatinebasis für verschiedene Oberflächen bei der Pflege von Brandwunden. Sci Rep 12, 13735 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17054-w

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Eingegangen: 12. April 2022

Angenommen: 20. Juli 2022

Veröffentlicht: 12. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17054-w

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