Antibacterial wound coating based on chitosan and povidone, obtained by 3D printing

封面

如何引用文章

详细

The objective of this study was to develop a method for forming an antimicrobial wound coating based on chitosan and polyvinylpyrrolidone using 3D printing technology.

The properties of the coating were then studied in vitro and in vivo to improve the treatment outcomes of deep burns. The resulting coating was a 4% hydrogel of medium molecular weight chitosan with the addition of 1% povidone iodine and dermal fibroblasts. After transplantation, the coating was covered with “Foliderm” film. The coating was formed using an extrusion 3D bioprinter, with printing parameters determined experimentally. The samples were first studied in vitro. Scanning electron microscopy was used to evaluate the coating’s microarchitecture and its interaction with dermal fibroblasts. A colorimetric test was conducted to assess cell metabolic activity and cytotoxicity, and antimicrobial activity against reference strains of Staphylococcus aureus was analyzed. An experiment was conducted to evaluate the in vivo properties of the coating. Nineteen male Wistar rats were used in the study. An injury was inflicted that resulted in a deep thermal contact burn, affecting all layers of skin and subcutaneous fatty tissue, with an area of approximately 20 cm2. The animals were divided into three groups: experimental (with the application of the developed coating), comparative (using the traditional and widespread method of treatment with Levomekol ointment) and control (without treatment).

The study lasted for 38 days and found that the developed coating is highly biocompatible, atraumatic, elastic, and adheres well to wounds. Chitosan was used to create a porous structure with channels running parallel to each other. The coating cells are evenly distributed on the surface of the matrix, specifically on the walls of the pores. The inclusion of 1% povidone iodine in the polymer resulted in high antimicrobial activity without significantly affecting the activity of the cells in the composition. The experiment on applying a coating for treating deep thermal burns demonstrated that the developed coating had a positive effect on the wound healing process. This effect was characterized by a higher rate of epithelization and a significantly lower incidence of infectious complications compared to other experimental groups. In the histological study, the experimental group outperformed the control and comparison groups in the quality of the formed granulation tissue, the number of newly formed capillaries, and the severity of the local inflammatory process.

作者简介

Konstantin Golovko

Military Medical Academy; Saint Petersburg State University

Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1584-1748

MD, Dr. Sci. (Medicine), Associate Professor

 
俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Vladimir Yudin

Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences

Email: yudin@hq.macro.ru
ORCID iD: 0000-0002-5517-4767

Dr. Sci. (Physical and Mathematical), Professor

 
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Dmitriy Ovchinnikov

Military Medical Academy

Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8408-5301

MD, Cand. Sci. (Medicine), Associate Professor

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Il’ya Barsuk

Military Medical Academy

编辑信件的主要联系方式.
Email: izvestiavmeda@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3728-9966
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Elena Ivan’kova

Military Medical Academy; Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Sciences

Email: ivelen@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4823-0695

Cand. Sci. (Physical and Mathematical)

俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Viktor Alexandrov

Military Medical Academy; Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Email: vnaleks9@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-9229-5293

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Yuliya Nashchekina

Saint Petersburg State University; Institute of Cytology of the Russian Academy of Sciences

Email: nashchekina.yu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4371-7445

Cand. Sci. (Biology)

俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Ekaterina Gorgina

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: emgordina@win.rniito.ru
ORCID iD: 0000-0003-2326-7413

MD, Cand. Sci. (Medicine)

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Svetlana Bozhkova

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: info@rniito.ru
ORCID iD: 0000-0002-2083-2424

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

参考

  1. Fan L, Yang H, Yang J, Hu J. Preparation and characterization of chitosan/gelatin/PVA hydrogel for wound dressings. Carbohydr Polym. 2016;146:427–434. doi: 10.1016/j.carbpol.2016.03.002
  2. Jayakumar R, Prabaharan M, Kumar PS, et. al. Biomaterials based on chitin and chitosan in wound dressing applications. Biotechnol Adv. 2011;29(3):322–337. doi: 10.1016/j.biotechadv.2011.01.005
  3. Rath G, Hussain T, Chauhan G, et. al. Development and characterization of cefazolin-loaded zinc oxide nanoparticles composite gelatin nanofiber mats for postoperative surgical wounds. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016;58:242–253. doi: 10.1016/j.msec.2015.08.050
  4. Khorasani MT, Joorabloo A, Adeli H, et. al. Design and optimization of process parameters of polyvinyl (alcohol)/chitosan/nano zinc oxide hydrogels as wound healing materials. Carbohydr Polym. 2019;207:542–554. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.12.021
  5. Supare V, Wadher K, Umekar M. Experimental design: Approaches and applications in development of pharmaceutical drug delivery system. Journal of Drug Delivery and Therapeutics. 2021;11(4-S): 154–161. doi: 10.22270/jddt.v11i4-S.4908
  6. Croisier F, Jérôme C. Chitosan-based biomaterials for tissue engineering. European Polymer Journal. 2013;49(4):780–792. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2012.12.009
  7. Ahmed S, Ikram S. Chitosan Based Scaffolds and Their Applications in Wound Healing. Achievements in the Life Sciences. 2016;10(1):27–37. doi: 10.1016/j.als.2016.04.001
  8. Cardoso AM, de Oliveira EG, Coradini K, et al. Chitosan hydrogels containing nanoencapsulated phenytoin for cutaneous use: Skin permeation/penetration and efficacy in wound healing. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;96:205–217. doi: 10.1016/j.msec.2018.11.013
  9. Morozov AM, Belyak MA. On the possibility of using povidone-iodine in surgical practice. Ambulatory Surgery. 2021;18(2):68–76. (In Russ.) doi: 10.21518/1995-1477-2021-18-2-68-76
  10. Katorkin SE, Bystrov SA, Bezborodov AI, et al. Primenenie rastvora povidon-joda pri operaciyah na pryamoj kishke. RMJ. Medical Review. 2018;(2(2)):52–55. (In Russ.)
  11. Franco P, De Marco I. The Use of Poly(N-vinyl pyrrolidone) in the Delivery of Drugs: A Review. Polymers (Basel). 2020;12(5):1114. doi: 10.3390/polym12051114
  12. De Lima GG, de Lima DW, de Oliveira MJ, et. al. Synthesis and in vivo behaviour of PVP/CMC/Agar hydrogel membranes impregnated with silver nanoparticles for wound healing applications. ACS Appl Bio Mater. 2018;1(6):1842–1852. doi: 10.1021/acsabm.8b00369
  13. Ramalingam V, Varunkumar K, Ravikumar V, Rajaram R. Target delivery of doxorubicin tethered with PVP stabilized gold nanoparticles for effective treatment of lung cancer. Sci Rep. 2018;8(1):3815. doi: 10.1038/s41598-018-22172-5
  14. Zhao P, Gu H, Mi H, et al. Fabrication of scaffolds in tissue engineering: A review. Frontiers of Mechanical Engineering. 2017;13(1):107–119. doi: 10.1007/s11465-018-0496-8
  15. Eltom A, Zhong G, Muhammad A. Scaffold Techniques and Designs in Tissue Engineering Functions and Purposes: A Review. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;2019(4):1–13. doi: 10.1155/2019/3429527
  16. Long J, Etxeberria AE, Nand AV, et. al. A 3D printed chitosan-pectin hydrogel wound dressing for lidocaine hydrochloride delivery. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109873. doi: 10.1016/j.msec.2019.109873
  17. Bergonzi C, Bianchera A, Remaggi G, et. al. 3D Printed Chitosan/Alginate Hydrogels for the Controlled Release of Silver Sulfadiazine in Wound Healing Applications: Design, Characterization and Antimicrobial Activity. Micromachines (Basel). 2023;14(1):137. doi: 10.3390/mi14010137
  18. Kollamaram G, Croker DM, Walker GM, et al. Low temperature fused deposition modeling (FDM) 3D printing of thermolabile drugs. International Journal of Pharmaceutics. 2018;545(1):144–152. doi: 10.1016/j.ijpharm.2018.04.055
  19. Okwuosa TC, Stefaniak D, Arafat B, et al. A Lower Temperature FDM 3D Printing for the Manufacture of Patient-Specific Immediate Release Tablets. Pharm Res. 2016;33(11):2704–2712. doi: 10.1007/s11095-016-1995-0
  20. Dores F, Kuźmińska M, Soares C, et al. Temperature and solvent facilitated extrusion based 3D printing for pharmaceuticals. Eur J Pharm Sci. 2020;152:105430. doi: 10.1016/j.ejps.2020.105430
  21. Ratsionalizatorskoe predlozheniye № 15307/2 ot 07.02.2022. Glushakov RI, Kokorina AA, Pyurveev SS. Sposob in’’ektsionnogo narkoza krys i krolikov dlya provedeniya dlitel’nykh operaciy v nauchnykh tselyakh. (In Russ.)
  22. Patent RUS № 2023101459/ 27.04.2023. Byul. № 12. Barsuk IA, Golovko KP, Aleksandrov VN. Sposob modelirovaniya termicheskikh ozhogovykh ran razlichnoy stepeni tyazhesti u laboratornykh zhivotnykh. (In Russ.)
  23. Sharafutdinova IR, Mustafina ZZ, Gabitova AYа, et al. Iinnovative technologies in monitoring of rate of the adhesion of ras. European Student Scientific Journal. 2018;(4-1):177–179. (In Russ.) EDN: UPBTCG
  24. Ivan’kova EM, Dobrovolskaya IP, Popryadukhin PV, et al. In-situ cryo-SEM investigation of porous structure formation of chitosan sponges. Polymer Testing. 2016;52:41–45. doi: 10.1016/j.polymertesting.2016.03.018
  25. Dobrovolskaya IP, Yudin VE, Popryadukhin PV, Ivan’kova EM. Polymer matrices for tissue engineering. Monograph. Saint Petersburg: Izdatel’sko-poligraficheskaya assotsiatsiya universitetov Rossii Publ.; 2016. 223 р.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © Eco-Vector, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».