Παρασκευή καινοτόμων και προηγμένων αντιμικροβιακών επιθεμάτων από νέα βιοσυμβατά πολυμερή

Abstract

The main objective of the present PhD thesis was to fabricate a new generation multifunctional patches consisting of biocompatible hydrogels with different morphologies (bilayers), aiming for a comprehensive and effective treatment of injured skin tissue, addressing some of the issues that existing treatments have not yet overcome. The innovation of the present doctoral thesis lies in the combination of these different characteristics (deriving from the used materials and the morphology) in a single patch. The studied patches have been designed in such a way as to achieve the regeneration of skin tissue without invasive methods, and to topically release the drug into the lower skin layers in a targeted manner. For this purpose, new and innovative polymeric hydrogels were synthesized to manufacture tree-dimensional (3D) patches using 3D printing and soft lithographic techniques, in order to produce an effective wound healing dressing. Specifically, the natural polymers chitosan (CS) and gelatin (Gel) were applied, ensuring high biocompatibility and cell growth, inherent antimicrobial activity and bioadhesive properties. The stability of the hydrogels was further enhanced by adding biocompatible synthetic polymers such as poly(vinyl alcohol) (PVA), polycaprolactone (PCL), poly(ethylene glycol) (PEG) and poly(lactic acid) (PLA), while the polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide copolymer (Pluronic) was used to offer the thermosensitive character of the hydrogels. The synthesized hydrogels were then used to fabricate 3D structures (porous scaffolds, antimicrobial surface, and microneedles) with suitable properties and diverse activity for an effective wound-healing treatment. In particular, the fabricated patches consisted of two layers of different structures: The upper layer consists of a scaffold that, due to its chemical composition and structure, has an intrinsic antimicrobial character and a three-dimensional porous structure promoting skin regeneration. For that, 3D printing technique was utilized to manufacture the scaffolds. The characterization methods, as well as the biological studies, proved that the scaffolds are suitable to promote the regeneration of new healthy skin tissue. The second layer consists of microneedles and lipid nano-carriers with encapsulated active compounds that aim to transport the drugs to the lower skin layers. The results of the study proved that the patches with microneedles are able to overcome the skin permeation barrier, thus showing an improved and controlled drug release rate.

Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η κατασκευή πολυλειτουργικών επιθεμάτων νέας γενιάς αποτελούμενων από βιοσυμβατές υδρογέλες διαφορετικής μορφολογίας (διστρωματικά επιθέματα), με στόχο την ολοκληρωμένη και αποτελεσματική θεραπεία του τραυματισμένου δερματικού ιστού, αντιμετωπίζοντας ορισμένα ζητήματα που οι υπάρχουσες θεραπείες δεν έχουν ακόμη ξεπεράσει. Η καινοτομία της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγκειται στον συνδυασμό αυτών των διαφορετικών χαρακτηριστικών (τα υλικά που παρασκευάστηκαν καθώς και τη μορφολογία των επιθεμάτων) σε ένα μοναδιαίο επίθεμα. Τα επιθέματα που μελετήθηκαν έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται η αναγέννηση του δερματικού ιστού χωρίς επεμβατικές μεθόδους και να απελευθερώνεται τοπικά το φάρμακο στα κατώτερα στρώματα του δέρματος με στοχευμένο τρόπο. Για το σκοπό αυτό, συντέθηκαν νέες και καινοτόμες πολυμερικές υδρογέλες για την κατασκευή επιθεμάτων τριών διαστάσεων (3D) με χρήση 3D εκτύπωσης και την τεχνική της λιθογραφίας, προκειμένου να παραχθεί ένα αποτελεσματικό επίθεμα επούλωσης πληγών με παράλληλη χορήγηση φαρμάκου. Συγκεκριμένα, εφαρμόστηκαν τα φυσικά πολυμερή χιτοζάνη (CS) και ζελατίνη (Gel), εξασφαλίζοντας υψηλή βιοσυμβατότητα και ανάπτυξη κυττάρων, εγγενή αντιμικροβιακή δράση και βιοσυγκολλητικές ιδιότητες. Η σταθερότητα των υδρογελών ενισχύθηκε περαιτέρω με την προσθήκη βιοσυμβατών συνθετικών πολυμερών όπως πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA), πολυκαπρολακτόνη (PCL), πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PEG) και πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA), ενώ το τριπλό συμπολυμερές πολυαιθυλενοξειδίου-πολυπροπυλενοξειδίου-πολυαιθυλενοξειδίου (Pluronic) χρησιμοποιήθηκε για να προσδώσει θερμοευαίσθητες ιδιότητες στις υδρογέλες. Οι συντιθέμενες υδρογέλες χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την κατασκευή τρισδιάστατων δομών (πορώδη ικριώματα, αντιμικροβιακή επιφάνεια και μικροβελόνες) με κατάλληλες ιδιότητες και ποικίλα χαρακτηριστικά για μια αποτελεσματική θεραπεία επούλωσης πληγών. Συγκεκριμένα, τα κατασκευασμένα επιθέματα αποτελούνταν από δύο στρώματα διαφορετικών δομών: Το ανώτερο στρώμα αποτελείται από ένα ικρίωμα που, λόγω της χημικής του σύνθεσης και δομής, έχει εγγενή αντιμικροβιακό χαρακτήρα και τρισδιάστατη πορώδη δομή που προάγει την ανάπλαση του δέρματος. Για την κατασκευή των ικριωμάτων αυτών, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της 3D εκτύπωσης. Ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων, καθώς και οι βιολογικές μελέτες των ικριωμάτων, απέδειξαν ότι είναι κατάλληλα για την προώθηση της αναγέννησης ενός νέου υγιούς δερματικού ιστού. Το δεύτερο στρώμα αποτελείται από μικροβελόνες και λιπιδικούς νανοφορείς με ενθυλακωμένες δραστικές ενώσεις που στοχεύουν στη μεταφορά των φαρμάκων στα κατώτερα στρώματα του δέρματος. Τα αποτελέσματα της μελέτης απέδειξαν ότι τα επιθέματα με μικροβελόνες είναι σε θέση να ξεπεράσουν το φράγμα διείσδυσης του δέρματος, δείχνοντας έτσι έναν βελτιωμένο και ελεγχόμενο ρυθμό απελευθέρωσης φαρμάκου.