Opatrunek hydrożelowy

Nie mylić z opatrunkiem hydrokoloidowym .

Hydrożele to trójwymiarowe sieci składające się z chemicznie lub fizycznie usieciowanych polimerów hydrofilowych. Nierozpuszczalne struktury hydrofilowe pochłaniają polarny wysięk z rany i umożliwiają dyfuzję tlenu w łożysku rany w celu przyspieszenia gojenia. Opatrunki hydrożelowe można zaprojektować tak, aby zapobiegały infekcjom bakteryjnym, zatrzymywały wilgoć, sprzyjały optymalnemu przyleganiu do tkanek i spełniały podstawowe wymagania biozgodności. Opatrunki hydrożelowe można również zaprojektować tak, aby reagowały na zmiany w mikrośrodowisku w łożysku rany. Opatrunki hydrożelowe powinny promować odpowiednie mikrośrodowisko dla angiogenezy, rekrutacji fibroblastów i proliferacji komórkowej.

Hydrożele reagują elastycznie na zastosowane naprężenia; żele wykonane z materiałów takich jak kolagen wykazują wysoką wytrzymałość i niskie tarcie ślizgowe, zmniejszając uszkodzenia spowodowane naprężeniami mechanicznymi. Opatrunki hydrożelowe powinny posiadać właściwości mechaniczne i fizyczne zbliżone do trójwymiarowego mikrośrodowiska macierzy pozakomórkowej ludzkiej skóry. Hydrożelowe opatrunki na rany mają mechanizm zakładania i zdejmowania, który minimalizuje dalsze urazy tkanek.

Opatrunki hydrożelowe można podzielić na kategorie: syntetyczne, naturalne i hybrydowe. Syntetyczne opatrunki hydrożelowe zostały wyprodukowane przy użyciu biomimetycznych nanowłókien macierzy zewnątrzkomórkowej , takich jak alkohol poliwinylowy (PVA). Samoskładające się designerskie hydrożele peptydowe to kolejny opracowywany rodzaj syntetycznego hydrożelu. Naturalne opatrunki hydrożelowe dzielą się dalej na oparte na polisacharydach (np. alginiany) lub na bazie proteoglikanów i/lub białek (np. kolagen). Hybrydowe opatrunki hydrożelowe zawierają syntetyczne nanocząsteczki i naturalne materiały.

Charakterystyka

Charakterystyka chemiczna

Opatrunki hydrożelowe wykazują sieciowanie chemiczne lub fizyczne . Sieciowanie chemiczne polegało na tworzeniu wiązań kowalencyjnych między łańcuchami polimeru. Chemicznie usieciowane opatrunki hydrożelowe są syntetyzowane przez polimeryzację łańcuchową, polimeryzację stopniową, enzymy lub polimeryzację przez napromieniowanie. Syntetyczne opatrunki zawierające nanocząsteczki, takie jak PVA i glikol polietylenowy (PEG), są składane przy użyciu chemicznych mechanizmów sieciowania. Fizycznie usieciowane opatrunki hydrożelowe są składane poprzez oddziaływania jonowe, wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe lub krystalizację. Fizycznie usieciowane hydrożele rozpadają się z powodu lokalnych zmian pH, siły jonowej i temperatury. Naturalne opatrunki zawierające polisacharydy i proteoglikany/białka tworzą sieć 3D za pomocą fizycznego sieciowania. Opatrunki hydrożelowe naśladują usieciowaną sieć 3D włókien macierzy pozakomórkowej w ludzkiej skórze.

Hydrożele można tworzyć w procesie samoorganizacji, w którym monomery dyfundują w roztworze, a następnie tworzą oddziaływania niekowalencyjne. Hydrożele stosowane w opatrunkach na rany mogą ulegać samoorganizacji po dodaniu kationów metali dwuwartościowych lub naładowanych elektrycznie polisacharydów w wyniku oddziaływań elektrostatycznych. Samoorganizację poprzez oddziaływania hydrofobowe można wywołać w żelach na bazie amfifilowych polisacharydów przez dodanie wody; można go również indukować w nieamfifilowych hydrożelach na bazie polisacharydów przez dodanie przeszczepów hydrofobowych.

Sieciowanie rozpuszczalnych hydrofilowych monomerów tworzy trójwymiarową nierozpuszczalną siatkową strukturę, która może zawierać dużą ilość wody. Polimerowa sieć 3D hydrożeli jest silnie uwodniona z 90-99% wag. wody; po złożeniu jest w stanie związać wielokrotnie więcej cząsteczek wody niż w stanie nieusieciowanym. Opatrunki hydrożelowe mogą wchłonąć do 600 razy większą ilość wody niż początkowa, w tym płynne wysięki z ran. Hydrożele są skutecznymi biomateriałami do opatrunków na rany i inżynierii tkankowej, ponieważ wymieniają płyny, nawilżając martwicze tkanki. Wchłanianie wydzielin powoduje pęcznienie opatrunku hydrożelowego, rozszerzając wiązania poprzeczne w łańcuchach polimerowych. Rozszerzona usieciowana sieć 3D może nieodwracalnie włączać patogeny i detrytus, usuwając je w ten sposób z rany.

Niektóre opatrunki hydrożelowe mają nieodłączne właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Opatrunki hydrożelowe utworzone z peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP) i chitozan mają naturalną aktywność przeciwdrobnoustrojową. Właściwości przeciwdrobnoustrojowe opatrunków hydrożelowych można zwiększyć, dodając nanocząsteczki metali, antybiotyki lub inne środki przeciwbakteryjne. Nanocząsteczki srebra i złota można również dodawać do opatrunków hydrożelowych w celu zwiększenia ich działania przeciwdrobnoustrojowego. Niektóre opatrunki hydrożelowe zawierają w swojej strukturze antybiotyki, takie jak cyprofloksacyna i amoksycylina, które są uwalniane do rany podczas wymiany płynu. Niektóre opatrunki hydrożelowe zawierają reagujące na bodźce środki uwalniające tlenek azotu i inne środki przeciwdrobnoustrojowe.

Opatrunki hydrożelowe mogą przylegać bezpośrednio do łożyska rany w normalnych warunkach fizjologicznych poprzez reakcje utleniania-redukcji chinonów. Wykazano, że właściwości adhezyjne hydrożeli zostały wzmocnione przez dodanie dodatnio naładowanych mikrożeli (MR) do matrycy 3D w celu zwiększenia oddziaływań elektrostatycznych i hydrofobowych.

Charakterystyka fizyczna

Opatrunki na rany powinny być rozciągliwe, aby zapobiec rozdarciu. Hai Lei i in. wykazali, że słabej elastyczności i histerezie hydrożeli na bazie białek pochodzenia naturalnego można zaradzić przez dodanie poliproteinowych środków sieciujących. Elastyczność hydrożeli można również zwiększyć poprzez włączenie mikrożeli do matrycy. Opatrunki hydrożelowe naśladują włóknistą naturę natywnej ECM w celu utrzymania komunikacji między komórkami w łożysku rany w celu regeneracji tkanek.

Samonaprawiające się hydrożele automatycznie i odwracalnie naprawiają uszkodzenia spowodowane naprężeniami mechanicznymi i chemicznymi. Mechanizmy samoleczenia mogą obejmować „dynamiczne wiązania kowalencyjne, interakcje niekowalencyjne” i interakcje mieszane. Interakcje kowalencyjne zaangażowane w samoleczenie obejmują tworzenie zasady Schiffa i wymianę dwusiarczków. Oddziaływania niekowalencyjne są na ogół mniej stabilne i powodują, że hydrożel jest bardziej wrażliwy na zmiany mikrośrodowiska (np. pH, temperatura). Niektóre opatrunki hydrożelowe są samonaprawiające się dzięki mieszanym mechanizmom, takim jak interakcje gospodarz-gość i białko-ligand.

Opatrunki hydrożelowe są dostępne w postaci arkuszy, amorficznej, impregnowanej lub do rozpylania. Opatrunki hydrożelowe w formie płatków nie przyklejają się do rany i skutecznie goją rany pośredniej grubości. Amorficzne hydrożele są skuteczniejsze w leczeniu ran pełnej grubości niż opatrunki w postaci arkuszy, ponieważ dopasowują się do kształtu łożyska rany i ułatwiają autolityczne oczyszczenie rany. Impregnowane opatrunki hydrożelowe to suche opatrunki (np. gazy) nasączone amorficznym hydrożelem. Opatrunki hydrożelowe w sprayu składają się z amorficznych hydrożeli, które po nałożeniu szybko zwiększają swoją lepkość. Wykazano również, że hydrożele do rozpylania zwiększają penetrację i skuteczność środków terapeutycznych.

„Inteligentne” opatrunki hydrożelowe

Produkowane są również „inteligentne” hydrożele, które reagują na bodźce (tj. reagują na ciepło, reagują biologicznie, reagują na pH, reagują na światło i reagują na reakcje redoks). Reagujące na pH opatrunki hydrożelowe, które uwalniają czynniki wzrostu i antybiotyki, gdy pH rany wzrasta od normalnego poziomu skóry (pH 4–6) do poziomu wewnętrznego (pH ~ 7,4). Opatrunki hydrożelowe reagujące na reakcje redoks można rozdrabniać na żądanie przez dodanie środka redukującego. Montaż sieci 3D fotoreaktywnych opatrunków hydrożelowych jest inicjowany przez promieniowanie UV. Termoczułe opatrunki hydrożelowe, które wykazują zależne od temperatury przejście zol-żel i/lub zależne od temperatury uwalnianie leku.

Aplikacje

Skuteczność opatrunków hydrożelowych oceniano na różnych typach ran. Istnieją pewne dowody sugerujące, że hydrożele są skutecznymi opatrunkami na rany przewlekłe, w tym odleżyny, wrzody cukrzycowe i owrzodzenia żylne, chociaż wyniki nie są pewne. Wykazano, że hydrożele przyspieszają gojenie ran oparzeniowych częściowej i pełnej grubości o różnej wielkości. Inne badania wykazały, że opatrunki hydrożelowe przyspieszają gojenie radioaktywnych uszkodzeń skóry i ran po ugryzieniu przez psa. Opatrunki hydrożelowe skracają czas gojenia urazowych uszkodzeń skóry średnio o 5,28 dnia oraz zmniejszają zgłaszany przez pacjentów ból.

typy

Opatrunki hydrożelowe pochodzenia naturalnego

Opatrunki hydrożelowe na bazie polisacharydów zostały zsyntetyzowane z polimerów, takich jak kwas hialuronowy , chityna , chitozan , alginian i agaroza . Naturalne opatrunki hydrożelowe/proteoglikanowe zostały zsyntetyzowane z polimerów, takich jak kolagen , żelatyna , kappa-karagenina i fibryna .

Syntetyczne opatrunki hydrożelowe

Syntetyczne opatrunki hydrożelowe mogą pochodzić z polimerów syntetycznych, takich jak alkohol poliwinylowy (PVA), poli(glikol etylenowy) (PEG), poliuretan (PU) i poli(laktydo-ko-glikolid) (PLGA). Syntetyczne opatrunki hydrożelowe mogą być również tworzone z designerskich peptydów. Naukowcy stosują druk 3D do syntezy opatrunków hydrożelowych.

Biohybrydowe opatrunki hydrożelowe

Hydrożele można modyfikować tak, aby zawierały kationy metali (np. miedź (II)), degradowalne łączniki (np. dekstran) i adhezyjne grupy funkcyjne (np. RGD). Włączenie biologicznych pochodnych do syntetycznych hydrożeli pozwala producentom dostosować powinowactwo i specyficzność wiązania, właściwości mechaniczne i właściwości reagujące na bodźce.