Self-healing cellulose-enhanced pectin-based hydrogels for wound dressing applications

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2021-06-25
Yazarlar
İyisan, Nergishan
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Institute of Science And Technology
Fen Bilimleri Enstitüsü
Özet
Chronic wounds are the wounds that were stuck in one of the wound healing stages and require proper wound care with protection from microorganisms and providing a suitable environment for the healing. Ideal wound dressings should have certain features such as creating a moisturized environment, allowing gas transmission, providing mechanical protection, removing excess exudates, and relieving the pain. Hydrogels, cross-linked polymers, are very promising for providing these characteristics as wound dressings. The purpose of this study is to synthesize pectin-based hydrogel wound dressings for sore, and inflammatory chronic wounds which control releases local anesthetics. In situ gelation of the hydrogels on the wound, the surface is aimed by pouring pectin solution on top of the cross-linker solution. In this study, pectin polymer was cross-linked with calcium chloride (CaCl2) and the drug was loaded by the mixing method. As a local anesthetic drug, lidocaine was used. Sodium carboxymethylcellulose (NaCMC) was added not only for its high fluid uptake capacity and wound healing effects, but also for managing the viscosity of cross-linker solution in order to prevent slipping from the wound surface. Glycerin was used as a plasticizer. The effect of CaCl2 and NaCMC amounts on drug release behavior was investigated. For the purpose of designing a proper wound dressing, synthesized hydrogels were characterized by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscope (SEM), and rheometer. Their swelling behaviors and drug release profiles were determined and self-healing properties were also tested. The presence of the drug, NaCMC, and glycerin in the synthesized hydrogels was confirmed by FTIR analysis. According to the DSC study, the addition of NaCMC increased the glass transition temperature of the samples. Rheological characterization was performed for the samples containing different amounts of NaCMC and CaCl2. Firstly amplitude sweep tests were conducted in order to determine the linear viscoelastic region (LVE) and then frequency sweep tests were performed to obtain storage moduli (G') and loss moduli (G'') in the LVE range with a constant strain of 0.05%. Frequency sweep tests demonstrated that all the samples have gel-like structures with storage moduli greater than loss moduli. It was determined that the loss and storage modulus increased with increasing amounts of NaCMC and CaCl2 in the hydrogels. The damping factor values were also investigated. It was determined that increasing the CaCl2 amount decreased the damping factor up to a certain point, by strengthening mechanical properties. Likewise, the increase in NaCMC has a strengthening effect on the mechanical properties. The swelling behavior of the hydrogel samples was examined in a buffer solution that mimics the chronic wound environment. In hydrogels containing different amounts of CaCl2, the swelling ratio decreased as the amount of CaCl2 increased. In the samples containing different amounts of NaCMC, it was determined that increasing NaCMC increases the swelling ratio. While other hydrogels degraded earlier, hydrogels containing high amounts of NaCMC were able to maintain their integrity for 5 days. Drug release profiles of these samples were also obtained in a buffer solution mimicking the wound environment, and it was observed that the samples released approximately 90% of the loaded drug. The drug release rate slowed down as the CaCl2 amount increased. Also, the hydrogels had a more controlled release in the presence of CMC. In the self-healing experiments of pectin hydrogels, the ability to heal the damage caused by cutting and puncturing the samples at the 20th minute of synthesis was investigated. Hybridization was carried out with another hydrogel synthesized in the same way. As a result of this study, it was seen that the samples containing NaCMC repaired the broken bonds faster. Hybridization occurred successfully after the samples were completely dried, and it was observed that the integrity of the hydrogels was preserved when they were immersed in water. In conclusion, the formulation with the high swelling ability and better mechanical properties was determined for wound dressing applications. Combined usage of NaCMC and pectin seems very promising to improve the performance of wound dressings due to their reinforced mechanical properties and high fluid retention capacities.
Kronik yaralar, yara iyileşme prosesinin aşamalarını tamamlayamadığı için iyileşme sürecine devam edemeyen yaralardır. Bu yaraların bakımı için uygun ortam sağlanması ve yaranın mikroorganizmalardan korunması gerekmektedir. İdeal yara örtülerinin yara bakımına olumlu etki edebilmesi için sahip olması gereken belli özellikler vardır. Bunlardan bazıları; yaraya nemli ortam sağlamak, su buharı ve oksijen iletimini sağlamak, yarayı mekanik olarak korumak, mikroorganizmaları uzak tutmak, fazla eksüdayı uzaklaştırmak ve ağrıyı azaltmaktadır. Yara şekli ve derinliğine bağlı olarak kullanılacbilecek birçok farklı yara örtüsü formu bulunmasına rağmen hidrojeller, bu özellikleri sağlamada oldukça başarılı ve gelecek açısından ümit vericidir. Bu çalışmada hidrojel malzemesi olarak kullanılan ve doğal bir polisakkarit olan pektin, biyouyumluluğu, canlı vücuduna toksik olmaması, doğal kaynaklardan kolayca ve ucuz olarak elde edilebilir olması sebebiyle biyomedikal alanda sık sık kullanılmaktadır. Pektin lineer bir polimer olup, birbirlerine glikosidik bağlarla bağlı galaturanik asit monomerlerinden oluşmaktadır. Bu doğal polimer tek başına zayıf mekanik özelliklere sahip olup, diğer malzemelerle birlikte kullanıldığında mekanik özellikleri güçlendirilebilmektedir. Genellikle iki değerlikli metal iyonlarıyla çapraz bağlanarak ilaç taşıyıcı sistemler olarak yara örtüsü uygulamalarında da çokça kullanılmaktadır. Benzer şekilde sodyum karboksimetil selüloz, yüksek çözünürlüğü, yüksek su tutma kapasitesi, toksik olmaması, biyouyumlu ve biyobozunur bir molekül olması nedeniyle topikal ve yara örtüsü uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Son yıllarda literatürdeki çalışmalarda sıkça yer bulan, malzemelerin kendilerini iyileştirme özelliği yara örtülerinin pratik uygulamaları açısından da oldukça önemlidir. Malzemelerin kendini iyileştirmesi, yapıdaki bir çatlağın, kütle aktarım mekanizmaları ile tersine çevrildiği ve onarıldığı, böylece matris içindeki hasar gören bağların yeniden oluşturulduğu bir işlemdir. Bu bağların onarılması hidrofobik, iyonik etkileşimler, hidrojen bağları gibi kovalent olmayan etkileşimler veya kovalent bağlarla sağlanabilir. Bu çalışmada kontrollü şekilde lokal anestetik salımı yapabilen, ağrılı ve iltihaplı kronik yaralar için kullanılacak pektin temelli hidrojel yara örtüleri sentezlemek amaçlanmıştır. Hidrojel sentezlemek için pektin polimeri CaCl2 ile çapraz bağlanmıştır. İlaç olarak kullanılan lidokain, pektine karıştırma yöntemi ile yüklenmiştir. Formülasyona, yüksek sıvı absorplama kapasitesi ve yara iyileştirici özellikleri sebebiyle sodyum karboksimetilselüloz (NaCMC) eklenmiştir. Plastikleştirici olarak gliserin kullanılmıştır. Bu çalışmada CaCl2 ve NaCMC miktarlarının pektin film özelliklerine ve ilaç salım performansına etkileri incelenmiştir. NaCMC'nin bir başka katkısı da hidrojel hazırlama işlemi sırasında viskozite ayarlayıcı olarak görev yapmasıdır. Bu tez kapsamında geliştirilen yara örtüsünün pratik uygulamada yara yüzeyinde jelleşmesi öngörülmektedir. Bu sırada NaCMC'nin, çapraz bağlayıcı çözeltisinin viskozitesini artırarak, yara yüzeyinden kaymayı veya doku aralarına sızmayı engellemesi amaçlanmaktadır. Hidrojeller hazırlanırken önce ilaç-pektin çözeltisi bir gece boyunca karıştırılmıştır. CaCl2 içeren çapraz bağlayıcı çözeltiler, formülasyona göre gliserin ve/veya NaCMC içermektdir. Hidrojeller, çapraz bağlayıcı çözeltisi üzerine pektin-ilaç çözeltisi dökülerek sentezlenmiştir. Sentezlenen hidrojellerin karakterizasyon çalışmaları Fourier-transform kızılötesi (FTIR) spektroskopi, diferansiyel tarama kalorimetre (DSC), taramalı electron mikroskobu (SEM) ve reometre ile yapılmıştır. Sentezlenen hidrojel örneklerinin şişme davranışı ve ilaç salım profilleri araştırılmış ve son olarak kendi kendini iyileştirme özellikleri test edilmiştir. Sentezlenen hidrojellerde ilaç, NaCMC ve gliserin varlığı FTIR analizi ile doğrulanmıştır. Örnekler için yapılan DSC çalışmasına göre, NaCMC girişi hidrojellerde camsı geçiş sıcaklığının yükselmesine sebep olmuştur. Farklı miktarlarda NaCMC ve CaCl2 içeren numuneler için yapılan reolojik karakterizasyon çalışmalarında, ilk olarak lineer viskoelastik bölgeyi (LVE) belirlemek için genlik tarama testleri gerçekleştirilmiş ve LVE bölgesinde %0,05 sabit gerinim değerinde depolama modülü (G') ve kayıp modülü (G'') elde etmek için frekans tarama testleri gerçekleştirilmiştir. Tüm numuneler için kayıp modülü, depolama modülünden büyük çıkmıştır. Bu durum incelenen tüm örneklerin jel benzeri yapıda olduğunu göstermektedir. Hidrojellerde NaCMC ve CaCl2 miktarının artmasıyla birlikte kayıp ve depolama modüllerinin arttığı belirlenmiştir. Hidrojellerin mekanik özellikleriyle ilgili yorum yapabilmek için ise sönümleme faktörü değerleri karşılaştırılmış, artan CaCl2 miktarının belli bir noktaya kadar sönümleme faktörünü düşürdüğü yani mekanik özellikleri güçlendirdiği belirlenmiştir. NaCMC artışı ise aynı şekilde, mekanik özellikleri güçlendirici yönde etki yapmaktadır. Hidrojellerin şişme davranışları, kronik yara ortamını taklit eden bir tampon çözeltide incelenmiştir. Farklı miktarlarda CaCl2 içeren hidrojellerde, CaCl2 miktarı arttıkça şişme oranının düştüğü; farklı miktarlarda NaCMC içeren hidrojellerde ise NaCMC'nin şişme oranını artırıcı bir etki yaptığı belirlenmiştir. Diğer hidrojeller daha erken degrade olurken yüksek miktarda NaCMC içeren hidrojeller, 5 gün boyunca bütünlüklerini koruyabilmişlerdir. Aynı zamanda bu numunelerin ilaç salım profilleri de yine yara ortamını taklit eden tampon çözelti ortamında incelenmiş ve örneklerin yüklenen ilaç miktarının yaklaşık %90 kadarını saldığı görülmüştür. CaCl2 miktarı arttıkça salım hızının düştüğü, NaCMC varlığında hidrojellerin daha kontrollü bir salım yaptığı belirlenmiştir. Pektin hidrojellerin kendi kendini iyileştirme deneylerinde, örnekler sentezlenmelerinin 20. dakikasında kesilerek ve delinerek oluşturulan hasarı iyileştirme özelliği araştırılmış, ayrıca aynı formülasyonda sentezlenen bir başka hidrojel ile hibritleştirme denemeleri yapılmıştır. Bu çalışma sonucunda NaCMC içeren örneklerin kırılan bağları yeniden daha hızlı oluşturdukları belirlenmiş, örnekler tamamen kuruduktan sonra hibritleşme gerçekleşmiş ve oluşan bağların ise tekrar kopmadığı belirlenmiştir. Elde edilen veriler birlikte değerlendirilerek, yara örtüsü uygulamaları için yüksek şişme kabiliyeti ve daha iyi mekanik özelliklere sahip olan formülasyon belirlenmiştir. Çalışmada elde edilen bir başka önemli sonuç da NaCMC'nin güçlendirici mekanik özellikleri ve yüksek sıvı tutma kapasitesi nedeniyle yara örtüsü uygulamalarının performansını artırmak için umut verici olduğudur.
Açıklama
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2021
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2021
Anahtar kelimeler
Wound healing, Bandages and bandaging, Colloids, Pectin, Yara iyileştirme, Sargı ve sargılama, Koloitler, Pektin
Alıntı