Development of injectable chitosan-based hydrogels with antibacterial properties for wound healing

Abstract

Hidrojeller, yüksek su emme kapasitesine sahip üç boyutlu yapılar olup, hücre dışı matrikse benzer üç boyutlu bir yapısı vardır. Hidrojellerin benzersiz özellikleri nedeniyle, son yıllarda yara iyileştirme uygulamalarında kullanılmak üzere bilim insanları için umut verici bir malzeme olmuştur. Mevcut hidrojel yapıları, düzensiz şekilli yaraları tedavi etmede yeterince iyi değillerdir. Yara boşluklarını çok iyi şekilde doldurabilen ve hücre büyümesini destekleyen antibakteriyel özelliklere sahip enjekte edilebilir hidrojeller giderek daha önemli hale gelmektedir. Kitosan, hemostatik özellikleri, antimikrobiyal aktivitesi, biyouyumluluğu, biyobozunurluğu nedeniyle hidrojeller için en uygun doğal malzemelerden biridir. Kitosan temelli enjekte edilebilir hidrojeller, daha fazla doku penetrasyonu sağlar, enfeksiyon riskini, yara izini ve ağrıyı azaltır. Yara iyileştirme uygulamaları için hidrojellerin özelliklerini iyileştirmek ve hidrojellerin özelliklerini optimize ederek üretim yöntemlerini geliştirmeye ihtiyaç vardır. Sahip oldukları bir dizi önemli fayda nedeniyle, mikroakışkan sistemler hidrojellerin üretimi için mükemmel bir seçimdir. Bu tez çalışması, düşük maliyetli, verimli ve kolay uygulanabilir enjekte edilebilir kitosan bazlı hidrojel üretilmesi ve yara iyileştirme uygulamalarında minimum toksisite ile uygulanmasını amaçlamaktadır. Bu amaç doğrultusunda hem mikroakışkan yöntem hem de manuel geleneksel yöntem ile enjekte edilebilir kitosan hidrojeli üretilerek morfolojik, kimyasal ve termal özellikler açısından SEM, FTIR, DSC, Optik Mikroskop ile değerlendirilmiştir. Ayrıca, mikroakışkan ve manuel yöntemlerle üretilen hidrojeller, disk difüzyon testi ile gram-pozitif ve gram-negatif bakterilere karşı antibakteriyel aktivite performansı açısından değerlendirilirken, sitotoksisite açısından ise L929 hücrelerinde resazurin hücre canlılığı testi kullanılarak değerlendirilmiştir. Genel sonuçlar, bu tez çalışmasında biyouyumluluk gibi iyi özellikleri ile üretilen enjekte edilebilir kitosan bazlı hidrojellerin yara iyileştirme uygulamaları için büyük umut vaat ettiğini göstermiştir.

Hydrogels are three-dimensional structures with high water absorption capacity, and similar structure to the extracellular matrix. Due to the unique properties, hydrogels have become promising material for wound dressing applications in recent years. However, the current hydrogel structures are not sufficiently effective in treating irregularly shaped wounds. Injectable hydrogels with antibacterial properties have gained increasing importance as they can fill irregular wound gaps and promote cell growth. Chitosan is one of the most suitable natural materials for hydrogels because of its hemostatic properties, antimicrobial activity, biocompatibility, biodegradability. Injectable chitosan-based hydrogels offer greater insertable tissue penetration, reducing the risk of infection, scarring, and pain. To improve the properties of hydrogels for wound healing applications, there is a need to enhance production methods by optimizing hydrogels properties. Due to a number of significant benefits, microfluidic systems are an excellent choice for the manufacturing of hydrogels. This thesis study aims to produce low-cost, efficient and easy-to-apply injectable chitosan-based hydrogel and to apply it in wound healing applications with minimal toxicity. The microfluidic method is utilized to take advantage of its benefits and create injectable chitosan hydrogels. The properties of these hydrogels figured out in terms of various aspects such as morphology, chemical composition, and thermal properties by using SEM, FTIR, DSC, and Optical Microscopy. Furthermore, the antibacterial activity of hydrogels produced through both microfluidic and manual methods is evaluated against gram-positive and gram-negative bacteria using the disk diffusion test. The cytotoxicity of the hydrogels is evaluated on L929 cells using a resazurin cell viability assay. The overall results indicated the produced injectable chitosan-based hydrogels with their decent features like biocompatibility in this thesis study shows great promise for wound healing applications.