| License: Publishing license for publications excluding print on demand (41MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-358016
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.35801
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 25 June 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Achim Göpferich |
| Date of exam: | 23 June 2017 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich) |
| Keywords: | alginate; cell scaffold; chitosan; chronic wound; human skin construct; hydrogel; interpenetrating polymer network; pH value; poly(ethylene glycol); wound dressing |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 600 Technology > 615 Pharmacy |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 35801 |
Abstract (English)
Hydrogel-based wound dressings are one of the most promising materials in wound care, because they fulfill important dressing requirements such as keeping the wound moist whilst absorbing extensive exudate, adhesion-free coverage of the sensitive underlying tissue, pain reduction through a cooling effect, and good biocompatibility. Furthermore, hydrogel wound dressings enable an active ...
Abstract (English)
Hydrogel-based wound dressings are one of the most promising materials in wound care, because they fulfill important dressing requirements such as keeping the wound moist whilst absorbing extensive exudate, adhesion-free coverage of the sensitive underlying tissue, pain reduction through a cooling effect, and good biocompatibility. Furthermore, hydrogel wound dressings enable an active intervention in the wound healing process, for example through controlled drug release or cell incorporation. Although hydrogel-based dressings are already on the market, general problems of wound care products still exist. Immense costs of complex technologies, safety concerns regarding drugs or allogeneic/ xenogeneic materials, insufficient technical possibilities for an industrial up-scaling, as well as special hydrogel-specific issues, such as the lack of mechanical stability, are impeding the clinical implementation of many novel approaches. Yet, new treatment options are urgently requested in view of the current situation in health care. Due to the aging society, clinicians have to face a growing number of severe, acute and chronic wounds in clinical daily life. To meet the clinical needs, the development of new hydrogel wound dressings with enhanced material properties, regarding inter alia the mechanical performance and the fluid handling, is necessary. Further, novel hydrogel dressings should actively promote the wound healing process in an applicable and cost-effective way. For the treatment of acute wounds, antimicrobial dressings are of interest because they can prevent infections that are one of the mayor issues in this field. Chronic wounds are even more complex to handle than acute wounds because crucial cellular processes of the healing cascade are impeded, inter alia caused by a non-physiological pH shift. Therefore, the controlled adaption of the wound pH might be a promising new concept of reviving wound healing by efficient means.
After a general overview of the literature in Chapter 1, regarding the current development in the field of bioactive hydrogel-base wound dressings, some of the main drawbacks of hydrogel dressings are addressed within this thesis. In Chapter 2, the combination of biocompatible poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and bioactive alginate in one material to exploit the favorable effect of interpenetrating polymer networks (IPNs) is discussed. Especially the impact of an altered network density and different polymerization mechanisms on the mechanical properties of the resulting IPN hydrogels were analyzed. Furthermore, the IPN’s suitability for the treatment of acute wounds was evaluated by analyzing its performance as antimicrobial, poly(hexamethylene biguanide) hydrochloride (PHMB) containing dressing.
Further research focused on the development of pH-modifying chronic wound dressings. To address this, the IPN hydrogel system PEGDA/alginate was supplemented with acrylic acid (AA). Different AA containing formulations were assessed for their material and pH-modulating properties. Moreover, cell viability assays and wound healing experiments with alkalosis wound models were conducted to investigate their bioactive properties. The results are presented in Chapter 3.
Structural modifications of IPN systems directly influence their material properties, including the mechanical stability and the liquid handling capacity. Hence, the optimization of the PEGDA/AA/alginate hydrogel network structure discussed in Chapter 4 corresponds to an adaption of its wound healing properties. Particularly the impact of the PEGDA molecular weight on the material properties was analyzed in detail. Moreover, the decisive structural interactions between the two interpenetrating networks PEGDA/AA and alginate were studied by comparing them to equivalent IPN hydrogel formulations without ionizable functional groups.
Alkaline dressing materials might be an effective tool for the treatment of skin grafted and acidosis chronic wounds. To investigate this assumption, different precursors were screened for their ability to serve as basic, pH-modulating part of PEGDA-based IPN hydrogels in Chapter 5. Dependent on the targeted wound type, pH-active molecules with different pKa values were used and the secondary network (alginate or chitosan) was adapted accordingly. The superficial seeding of human dermal fibroblasts induced additional bioactive properties in terms of a potential cell or cell-derived protein release.
Based on the findings discussed in the previous chapters, a universal approach to pH-modifying chronic wound treatment was conducted and discussed in Chapter 6. Mono- and bimolecular buffer systems were chosen as potential pH-active components and combined with the mechanically stabilized IPN hydrogel system PEGDA/alginate. The most promising hydrogel formulation was identified by a bottom-up approach, regarding the wound healing capacity, and further characterized for its overall material performance. An antimicrobial activity by PHMB incorporation and its pH-sensitive release supplemented the bioactive healing properties of the buffering hydrogels.
Translation of the abstract (German)
Das Ziel der Dissertation war, bioaktive Wundauflagematerialien zu entwickeln, die den heutigen Herausforderungen der klinischen Wundversorgung gerecht werden, diese Materialien zu charakterisieren und sie in einem weiteren Schritt auf ihre Zellkompatibilität und ihre Auswirkungen auf den Prozess der Wundheilung zu untersuchen. Die Arbeit dazu ist in zwei Teilbereiche gegliedert. Im ersten Teil ...
Translation of the abstract (German)
Das Ziel der Dissertation war, bioaktive Wundauflagematerialien zu entwickeln, die den heutigen Herausforderungen der klinischen Wundversorgung gerecht werden, diese Materialien zu charakterisieren und sie in einem weiteren Schritt auf ihre Zellkompatibilität und ihre Auswirkungen auf den Prozess der Wundheilung zu untersuchen. Die Arbeit dazu ist in zwei Teilbereiche gegliedert.
Im ersten Teil wurden geeignete Materialien zur Behandlung akuter Wunden entwickelt. Die Wundheilung sollte nach aktueller Auffassung unter feuchten Bedingungen ablaufen, jedoch gleichzeitig eine übermäßige Menge an Wundexsudat vermieden werden, da sonst gesundes, umliegendes Gewebe geschädigt wird. Daher ist die Verwendung von Hydrogelen auf diesem Anwendungsgebiet besonders erfolgsversprechend. Die hier kombinierten Hydrogel Ausgangsmaterialien Poly(ethylenglycol)diacrylat (PEGDA) und Alginat sind zudem biokompatibel und im Fall von Alginat zusätzlich wundheilungsfördernd. Bei der Materialentwicklung wurde eine besondere Eigenschaft von ausgewählten Polymeren genutzt; die Kombination eines primären, kovalent verknüpften (PEGDA) und eines sekundären, deutlich geringer konzentrierten und physikalisch verknüpften Polymernetzwerkes (Alginat) ermöglicht die Herstellung von außerordentlich stabilen Hydrogelen, sogenannten interpenetrierenden Polymernetzwerk (IPN) Hydrogelen. Neben den mechanischen Eigenschaften können mit dieser Methode unter anderem auch Quellungs- oder Freisetzungseigenschaften gezielt gesteuert werden. Zur Charakterisierung der IPN Materialien wurde daher eine Vielzahl an Methoden verwendet. Die Kapazität der Flüssigkeitsaufnahme wurde gravimetrisch ermittelt, mechanische Eigenschaften wurden über die Stabilität gegenüber Zugbelastung, sowie die dabei gezeigte Elastizität charakterisiert, zudem wurde die Wasser-transmissionsrate, eine wichtige Kenngröße in Bezug auf die Feuchthaltung der Wunde, gemessen. Um ein Material mit optimalen Eigenschaften in allen relevanten Bereichen zu entwickeln, wurde die Polymernetzwerkdichte in den IPN Hydrogelen gezielt verändert. Dies konnte über unterschiedlich konzentrierte Initiatoren, ein variables Molekulargewichte des PEGDA Precursors und verschiedene Arten von Polymerisationsreaktionen (thermisch, UV-Licht und ionisch induziert) erreicht werden. Die vielversprechendste Formulierung, bestehend aus 9.5% PEGDA mit einem Molekulargewicht von 6 kDA, 0.5% Alginat und 90% Wasser, verknüpft mit einer UV-induzierten, radikalischen Polymerisation, wies eine deutlich verbesserte mechanische Stabilität und eine hohe Flüssigkeitsaufnahmekapazität auf. Weiterhin wurde diese Hydrogelformulierung erfolgreich als Freisetzungsmatrix für das Antiseptikum Polyhexanid verwendet und ist damit ein aussichtsvoller Ansatz für die Behandlung komplexerer, akuter Wunden.
Der zweite Abschnitt der Arbeit beschreibt die Entwicklung von Hydrogelwundauflagen für die Versorgung chronischer Wunden. Chronische Wunden können über Monate oder Jahre bestehen und damit tiefe Einschnitte in das Leben des Patienten bedeuten. Zudem sind die damit verknüpften Kosten eine extreme Belastung für das Gesundheitssystem. Da es bis heute noch viele unverstandene Prozesse und ungelöste Probleme im Zusammenhang mit der Entstehung und Versorgung chronischer Wunden gibt, ist das Bedürfnis an neuen wissenschaftlichen Entwicklungen in diesem Gebiet sehr hoch. Ein häufig mit der Entstehung chronischer Wunden in Zusammenhang gebrachter Faktor ist eine unphysiologische Verschiebung des pH-Werts im Wundmilieu. Um diesem Prozess entgegenzuwirken und den natürlichen pH-Wert der Wunde wieder herzustellen, wurde der weitere Fokus der Forschungsarbeit auf die Entwicklung pH modifizierender Wundauflagen gelegt. Hierzu wurden verschiedene pH-aktive Substanzen (Acrylsäure (AA), 2-Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA), N-Vinylimidazol (VI) und 2-(4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl)-ethansulfonsäure (HEPES)) in die im ersten Teil der Arbeit entwickelten PEGDA/Alginat IPN Hydrogelmaterialien chemisch integriert. Auch hier wurde die exakte Formulierung des Hydrogels auf Grund von Materialeigenschaften wie Flüssigkeitsaufnahme, Druck- und Zugstabilität, Säure- bzw. Base-Neutralisationskapazität (pH-stat Titration) und Mikrostruktur (Rasterelektronenmikroskopie) ermittelt. Besonderer Augenmerk lag dabei auf dem komplexen Zusammenhang zwischen den Strukturen der interpenetrierenden Hydrogelnetzwerke und den physiochemischen Materialeigenschaften, steuerbar beispielsweise mittels verschiedener Verknüpfungsreaktionen und Ausgangsmakromere. Die optimierten Formulierungen wurden außerdem einer detaillierten biologischen Evaluation unterzogen. Zunächst wurden zur Beurteilung der Zelltoxizität der entwickelten Hydrogele Extrakt-MTT-Assays durchgeführt. Hierdurch konnten klare Konzentrationsobergrenzen für die pH-aktiven Moleküle definiert und die Wundauflagen als unbedenklich für die Zellvitalität humaner Fibroblasten eingestuft werden. Um das Prinzip der Wundheilung in vitro untersuchen zu können, wurde ein Zellmigrationsassay etabliert, der einen Wundverschluss unter pH-Wert modifizierten Bedingungen nachstellen kann. Mit diesem Migrationsassay konnte sowohl der Grad des „Wundverschlusses“ als auch die Geschwindigkeit der Zellmigration in die „Wunde“ unter Einfluss verschiedenster Hydrogelformulierungen und pH-Wert-Verschiebungen untersucht werden. Sowohl in stark saurer Umgebung, mittels Applikation von basisch puffernden Gelen, als auch vice versa, konnten „Wundverschluss“ und Zellmigrationsgeschwindigkeit signifikant durch die entwickelten Hydrogelwundauflagen verbessert werden. Um das Konzept der pH-modifizierenden Hydrogelwundauflagen final zu verifizieren, wurde jeweils die vielversprechendste Formulierung ausgewählt (pH-aktive Substanz sauer: 0.25% AA, basisch: 2.0% DMAEMA oder 3.5% VI, universal: 0.7%AA/2.8% DMAEMA, kombiniert mit PEGDA und einem sekundären Polymernetzwerk auf Alginat- oder Chitosan-Basis) und ihr Einfluss auf die Wundheilung am humanen Hautmodel getestet. Als Imitation einer chronischen Wunde wurde die rekonstruierte humane Haut standardisiert verletzt und mit pH-adaptiertem Zellmedium (wahlweise zu sauer bzw. basisch) nur unzureichend versorgt. Durch anschließende Behandlung mit den pH-aktiven Hydrogelwundauflagen konnte in allen Fällen das Einwachsen von Zellen in den Wundbereich signifikant angeregt und beschleunigt werden. Weitere bioaktive Wundheilungseigenschaften wurden erfolgreich mittels Ansiedelung von Zellen auf der Materialoberfläche (VI-haltige Formulierung) oder der Inkorporation von dem antiseptischen Arzneistoff Polyhexanid (AA/DMAEMA-haltige Formulierung) generiert werden. Damit sind die im Rahmen der Dissertation entwickelten pH-aktiven IPN Materialien vielversprechende Möglichkeiten das Problem einer pH-Wert Verschiebung in chronischen Wunden zu behandeln und damit den normalen Heilungsprozess wieder anzuregen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 21:10
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