Elektrogesponnen chitosaan-polyethyleenoxide/fibrinogeen scaffolds voor duurzame PDGF-afgifte en verbeterde wondheling

Samenvatting

Wondheling is een veelzijdig proces gereguleerd door groeifactoren, cellulaire migratie en extracellulaire matrix-hermodellering. Hoewel bioactieve verbanden gevorderd zijn, bereiken er slechts een handvol de klinische praktijk vanwege afgifte-uitdagingen. We ontwierpen een nanovezel-scaffold samengesteld uit chitosaan (CS), polyethyleenoxide (PEO) en fibrinogeen (Fb) met behulp van een dubbele-spinneret electrospinning-platform. De resulterende CS-PEO/Fb-composiet vertoonde nanometer-schaal vezels, uniforme polymere distributie en gunstige mechanische integriteit. Incorporatie van plattelet-gegenereerde groeifactor (PDGF) werd bereikt zonder verlies van bioactiviteit, en vrijgevingsstudies onthulden een bifasisch profiel dat 21,6 % van PDGF binnen het eerste uur afleverde, gevolgd door duurzame afgifte over 48 uur. In vitro fibroblast-migratie-assays bevestigden dat PDGF vrijgegeven van de scaffold de effectiviteit evenaarde van een enkele 50 ng mL⁻¹ dosis, terwijl het Fb-component alleen matig migratie bevorderde. De composiet's waterdamp-doorlaatsnelheid (≈807 g m⁻² dag⁻¹) en trekkracht (≈0,3 MPa) voldoen aan klinische wondverbandstandaarden. Samen tonen deze gegevens aan dat CS-PEO/Fb elektrogesponnen scaffolds een robuust, bioactief platform bieden voor duurzame groeifactor-afgifte en versnelde wondheling.

Achtergrond

Ondanks vooruitgang in wondzorg blijft de vertaling van bioactieve verbanden naar de kliniek beperkt. De wondhelingscascade berust op een gecoördineerde wisselwerking van cytokines, immuuncellen en matrix-eiwitten. Groeifactoren, hoewel krachtig, lijden onder snelle clearance en een korte halfwaardetijd, wat herhaalde dosering noodzakelijk maakt die lastig is voor patiënten. Een verband capabel van duurzame, gelokaliseerde afgifte zou resultaten en acceptatie dramatisch verbeteren.

PDGF is een cruciale chemotactische agent die neutrofielen, monocyten en fibroblasten mobiliseert, en matrix-depositie en littekenvorming moduleert. De FDA-goedgekeurde Regranex®-gel (2,2 µg cm⁻²) versnelt heling met ~30 % bij diabetische ulceraties, doch de dagelijkse toepassing is ongemakkelijk. Dus is een duurzame-afgifte systeem wenselijk.

Electrospinning biedt een veelzijdige route om nanovezel-matten te produceren die de inheemse extracellulaire matrix nabootsen. Natuurlijke polymeren zoals collageen, elastine en fibrinogeen hebben inherent bioactiviteit en affiniteit voor groeifactoren. Echter, fibrinogeen alleen mist de mechanische sterkte vereist voor langdurige verbandtoepassingen. Chitosaan, een gedesetyleerde chitine-derivaat, biedt antimicrobiële activiteit en kan elektrogesponnen worden wanneer gemengd met PEO. De polykatione aard van CS bemoeilijkt menging met negatief geladen Fb, maar een dubbele-drukop electrospinner overkomt elektrostatische incompatibiliteiten, wat uniforme composietvorming mogelijk maakt.

Methoden

Materialen

Alle reagentia (azijnzuur, CS, PEO, Fb, HFIP, BSA, DMSO) en cellijnen (humane dermale fibroblasten PCS‑201‑012) werden gekocht van Sigma‑Aldrich of ATCC en gebruikt zoals ontvangen. Recombinant humaan PDGF‑BB werd bezorgd door PeproTech.

Scaffold-fabricatie

CS-PEO-oplossingen (5,5 wt%, CS:PEO = 2:1) werden bereid in 1 % azijnzuur met 0,5 % BSA en 10 % DMSO. Fb werd opgelost in een 1:9 (v/v) HFIP/10× EMEM mengsel bij 110 mg mL⁻¹. PDGF werd direct voor het spinnen toegevoegd. Dubbele-spinneret electrospinning (NE‑1000 spuitpompe, 18-gauge naalden) gebruikte 0,7 mL h⁻¹ (CS-PEO) en 1,0 mL h⁻¹ (Fb) stromen, spanningen van 28 kV en 22 kV, en een 25 RPM roterende mandrel op 22 cm (CS-PEO) en 12,5 cm (Fb). Scannen werd uitgevoerd gedurende 3 uur bij 35–45 % RH.

Morfologie

FESEM-beeldvorming (Zeiss Sigma VP‑40) van gegoude monsters kwantificeerde vezeldiameters (n = 100 per scaffold) via ImageJ. CS-PEO/Fb vezels gemiddeld 202 ± 113 nm, dunner dan CS-PEO (270 ± 68 nm) en Fb (351 ± 102 nm) alleen.

Oppervlaktechemie

ToF-SIMS (Bi₃²⁺, 30 kV) karteerde karakteristieke ionen (CNO⁻, CN⁻, C₂H₅O⁺) over 50 × 50 µm rasters, wat uniforme CS-PEO en Fb distributie bevestigde.

Watercontacthoek

Gemeten per ASTM D7334‑08 met 2 µL gedestilleerd water. CS-PEO/Fb vertoonde een hydrofiel hoek van 61,4 ± 7,6°, intermediair tussen CS-PEO (44,2 ± 5,1°) en Fb (115,7 ± 16,2°).

Mechanische testen

Uniaxiale trektesten (Instron E3000, 1 mm min⁻¹) op 40 × 25 mm stroken (dikte 94 ± 7 µm) produceerden spanning-rek-krommen. CS-PEO/Fb bereikte 0,31 ± 0,02 MPa piekspanning, wat Fb alleen (0,12 ± 0,01 MPa) overtreft.

Waterdamp-doorlaatsnelheid

WVTR werd bepaald per ASTM E96 met silica-gel droogmiddelen; CS-PEO/Fb bereikte 806,5 ± 56,1 g m⁻² dag⁻¹, binnen het klinisch gewenste bereik (≈2 000 g m⁻² dag⁻¹).

Cytotoxiciteit

Indirecte WST‑1 assays (ISO 10993‑5) over 120 uur toonden geen significante proliferatie-inhibitie bij 48 uur, hoewel een bescheiden daling ontstond bij 72 uur, waarschijnlijk door CS acetylatiegraad.

Celhechting

Live/Dead en phalloïdine-DAPI kleuring van fibroblasten op scaffold-oppervlakken onthulden gezonde morfologie en robuuste hechting vergelijkbaar met fibronectine-gecoate controles.

Afbraak

Scaffolds geïncubeerd in FBM (37 °C, 5 % CO₂) vertoonden lineaire massa-verlies na een initiële 1-uur burst, met integriteit behouden voor ≥48 uur.

PDGF-vrijgave

ELISA kwantificeerde cumulatieve vrijgave: 1,8 ± 0,7, 4,4 ± 1,8 en 11,4 ± 4,8 ng mg⁻¹ bij 2, 4 en 8 µg mL⁻¹ lading, respectievelijk. Een bifasisch patroon vrijgaf 21,6 % binnen het eerste uur.

Fibroblast-migratie

ORIS™ migratie-assays demonstreerden dat eluaten van PDGF-geladen scaffolds de migratie evenaarden geïnduceerd door een enkele 50 ng mL⁻¹ PDGF-dosis, met duurzame effecten tot 48 uur. Fb alleen bevorderde ook matig migratie.

Resultaten en Discussie

Dubbele-spinneret electrospinning combineerde met succes CS-PEO en Fb in een homogene nanovezel-matrix, wat elektrostatische incompatibiliteiten overkwam. Vezeldiameterreductie in het composiet wordt toegeschreven aan verhoogde straal-afstoting, wat depositietijd verlengt en buiginstabiliteiten induceert die fijner vezels opleveren.

ToF-SIMS-kartering bevestigde uniforme oppervlaktesamenstelling, en watercontacthoeken duidden op een hydrofiel oppervlak dat bacteriële adhesie ontmoedigt terwijl eiwitadsorptie ondersteunt. Mechanische testen toonden aan dat CS-PEO-integratie trekkracht herstelt geschikt voor wondverbanden, wat Fb's inherent zwakte adressert.

WVTR-metingen plaatsten CS-PEO/Fb binnen het therapeutische venster voor vochtige wondomgevingen, balancerend exsudaatbeheer en zuurstofpermeabiliteit. Cytotoxiciteitsassays suggereerden dat eventueel residueel HFIP of hoge DA CS-concentraties minimaal waren; het scaffold's biologisch veiligheidsprofiel is acceptabel voor klinische vertaling.

PDGF-vrijgaveprofielen vertoonden een wenselijk bifasisch patroon: een vroege burst die ~21 % van de dosis afleverde, gevolgd door een gecontroleerde, lineaire vrijgave die biologisch relevante concentraties over 48 uur handhaafde. Deze duurzame afgifte ontziet de noodzaak voor dagelijkse verbandwissels vereist door Regranex®, potentieel de patiënt-compliance verbeterend.

Functionele assays bevestigden dat vrijgegeven PDGF chemotactische activiteit behield, fibroblast-migratie bereikte equivalent aan een enkele hoge-dosis behandeling. Het additieve effect van Fb's intrinsieke chemotactische eigenschappen versterkt cellulaire werving verder, wat een synergistisch mechanisme suggereert.

Conclusie

Elektrogesponnen CS-PEO/Fb nanovezel-scaffolds combineren de antimicrobiële en mechanische voordelen van chitosaan met de bioactiviteit van fibrinogeen, terwijl duurzame, functionele PDGF-afgifte mogelijk wordt gemaakt. Hun nanoschaal-architectuur, geschikte WVTR en mechanische robuustheid maken ze veelbelovende kandidaten voor next-generation wondverbanden die fibroblast-werving en heling kunnen versnellen zonder het ongemak van herhaalde groeifactor-toepassingen.