Σύνθεση και χαρακτηρισμός υδρογελών από φυσικά βιοπολυμερή για αναγέννηση μαλακών ιστών

Abstract

Wound healing and soft tissue regeneration are complex and multifactorial biological processes involving sequential and interrelated stages of hemostasis, inflammation, cellular proliferation, angiogenesis, and extracellular matrix remodeling. Failure to properly regulate these stages may result in delayed healing, chronic wounds, or pathological fibrosis. Despite significant advances in recent decades, many conventional dressings and hemostatic materials remain passive systems that primarily function as physical barriers without actively modulating the wound microenvironment. The primary objective of this doctoral dissertation was the design and development of multifunctional, bioactive biomaterials based on natural polymers, capable of acting synergistically across the sequential stages of wound healing. The central hypothesis was that the rational combination of hemostatic polysaccharide-based systems, bioactive molecules, and controlled-release nanosystems can transform a conventional biomaterial into an active regulator of the regenerative response. The research strategy was structured into three distinct yet interconnected axes. The first axis focused on the development and optimization of hemostatic biomaterials based on modified chitosan and polysaccharide systems. Through controlled physicochemical modifications, enhanced positive surface charge and hydrophilicity were achieved properties directly associated with platelet activation and clot formation. The developed materials exhibited high absorbency, porous architectures suitable for erythrocyte entrapment, and rapid hemostatic response. In vivo studies demonstrated significant reduction in blood loss and shortened hemostasis time compared to conventional reference materials. The second axis investigated the bioactive potential of natural plant extracts with antioxidant and anti-inflammatory properties and their incorporation into appropriate formulations. In vitro evaluation confirmed their ability to mitigate oxidative stress and modulate the inflammatory microenvironment. These findings highlight the importance of natural bioactive compounds as complementary factors in skin repair and regeneration. The third and central axis involved the development of multifunctional hydrogels based on natural polymers and modified hyaluronic acid, combined with asiaticoside-loaded niosomal systems. Hyaluronic acid modification aimed to enhance its biological activity and interaction with the cellular microenvironment, while niosomes served as nanocarriers for controlled and sustained release of the active compound. Physicochemical characterization included particle size analysis, zeta potential, porosity assessment, thermal behavior, rheological properties, and release kinetics. The results demonstrated stable nanosystems, homogeneous porous structures, and controlled release profiles. Biological evaluation of the hydrogels revealed enhanced cellular infiltration, increased angiogenesis, and improved collagen deposition, supporting the establishment of a favorable microenvironment for functional tissue regeneration without pathological fibrosis. Overall, this dissertation proposes a multifunctional biomaterial design model in which hemostasis, inflammatory regulation, and regenerative enhancement are integrated into a unified therapeutic platform. This approach bridges fundamental natural polymer science with translational regenerative medicine, creating prospects for the development of next-generation medical devices with scalability and patent potential.

Η επούλωση του τραύματος και η αναγέννηση μαλακών ιστών είναι πολύπλοκες βιολογικές διαδικασίες που περιλαμβάνουν συνεχείς και αλληλένδετες φάσεις όπως η αιμόσταση, ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός, η αγγειογέννηση και η αναδόμηση της εξωκυττάριας μήτρας. Η αποτυχία ορθής ρύθμισης αυτών των φάσεων οδηγεί σε καθυστερημένη επούλωση, χρόνιους τραυματισμούς ή παθολογικών ίνωση. Παρά τις σημαντικές εξελίξεις των τελευταίων δεκαετιών, πολλά παραδοσιακά επιθέματα και αιμοστατικά υλικά παραμένουν παθητικά συστήματα που λειτουργούν κυρίως ως φυσικά φράγματα χωρίς να συμμετέχουν ενεργά στη ρύθμιση του τραυματικού μικροπεριβάλλοντος και των βιολογικών διεργασιών επούλωσης. Η τρέχουσα διδακτορική διατριβή είχε ως κύριο στόχο τη σχεδίαση και την ανάπτυξη πολυλειτουργικών βιοδραστικών υλικών που βασίζονται σε φυσικά πολυμερή, ικανά να δρουν συντονισμένα στις επόμενες φάσεις της επούλωσης. Η κεντρική υπόθεση της εργασίας στηρίζεται στην ιδέα ότι η λογική σύνδεση αιμοστατικών πολυσακχαριτών, βιοδραστικών μορίων και νανοσυστημάτων ελεγχόμενης απελευθέρωσης μπορεί να μετατρέψει ένα συμβατικό βιοϋλικό σε ενεργό ρυθμιστή της αναγεννητικής απόκρισης. Η ερευνητική προσέγγιση οργανώθηκε σε τρεις χωριστούς, αλλά συνδεδεμένους άξονες οι οποίοι είναι οι εξής: Ο πρώτος άξονας αφορούσε την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση αιμοστατικών βιοϋλικών βασισμένων σε τροποποιημένη χιτοζάνη και πολυσακχαριδικά συστήματα. Μέσω ελεγχόμενων φυσικοχημικών τροποποιήσεων, επιτεύχθηκε ενίσχυση της θετικής επιφανειακής φόρτισης και της υδροφιλικότητας, ιδιότητες που σχετίζονται άμεσα με την ενεργοποίηση αιμοπεταλίων και τον σχηματισμό θρόμβου. Τα παραγόμενα υλικά παρουσίασαν υψηλή απορροφητικότητα, πορώδη δομή κατάλληλη για παγίδευση ερυθροκυττάρων και ταχεία αιμοστατική απόκριση. Τα in vivo αποτελέσματα κατέδειξαν σημαντική μείωση της απώλειας αίματος και επιτάχυνση του χρόνου αιμόστασης σε σύγκριση με συμβατικά υλικά αναφοράς. Ο δεύτερος άξονας εστίασε στη διερεύνηση της βιοδραστικής δράσης φυσικών φυτικών εκχυλισμάτων με αντιοξειδωτικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες, καθώς και στην ενσωμάτωσή τους σε κατάλληλες φαρμακοτεχνικές μορφές. Μέσω in vitro αξιολόγησης τεκμηριώθηκε η ικανότητα των εκχυλισμάτων να περιορίζουν το οξειδωτικό στρες και να συμβάλλουν στη ρύθμιση του φλεγμονώδους μικροπεριβάλλοντος. Τα ευρήματα αυτά υποστηρίζουν τη σημασία των φυσικών βιοδραστικών μορίων ως συμπληρωματικών παραγόντων στη δερματική αποκατάσταση και αναγέννηση. Ο τρίτος και κεντρικός άξονας της διατριβής αφορούσε την ανάπτυξη πολυλειτουργικών υδρογελών βασισμένων σε φυσικά πολυμερή και τροποποιημένο υαλουρονικό οξύ, σε συνδυασμό με νιοσωμιακά συστήματα φορτωμένα με ασιατικοσίδη. Η τροποποίηση του υαλουρονικού οξέος στόχευε στη βελτίωση της βιολογικής του δραστικότητας και της αλληλεπίδρασής του με το κυτταρικό μικροπεριβάλλον, ενώ τα νιοσώματα χρησιμοποιήθηκαν ως νανοφορείς για ελεγχόμενη και παρατεταμένη αποδέσμευση της δραστικής ουσίας. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός περιλάμβανε μελέτες μεγέθους σωματιδίων, δυναμικού ζήτα, πορώδους, θερμικής συμπεριφοράς, ρεολογικών ιδιοτήτων και κινητικής αποδέσμευσης. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν σταθερά νανοσυστήματα, ομοιογενείς πορώδεις δομές και ελεγχόμενο προφίλ απελευθέρωσης. Η βιολογική αξιολόγηση των υδρογελών έδειξε ενισχυμένη κυτταρική διήθηση, αγγειογένεση και εναπόθεση κολλαγόνου, υποστηρίζοντας τη δημιουργία ευνοϊκού μικροπεριβάλλοντος για λειτουργική αναγέννηση χωρίς παθολογική ίνωση. Η διατριβή προτείνει ένα πολυλειτουργικό μοντέλο βιοϋλικών, όπου η αιμόσταση, η ρύθμιση της φλεγμονής και η αναγεννητική ενίσχυση συνδυάζονται σε ενιαία θεραπευτική πλατφόρμα. Με τον τρόπο αυτό, γεφυρώνεται η βασική επιστήμη των φυσικών πολυμερών με τη μεταφραστική ιατρική, δημιουργώντας προοπτικές ανάπτυξης καινοτόμων ιατροτεχνολογικών εφαρμογών με δυνατότητα κλιμάκωσης και πατεντοποίησης.