Development and Characterization of ConductingPolymer-Based Hydrogel Dressing for Wound Healing

Yara İyileştirme için İletken Polimer Esaslı Hidrojel Sargının Geliştirilmesi ve Karakterizasyonu

Ravindra V. BADHE, Anagha GODSE, Ankita SHINKAR, Avinash KHARAT, Vikrant PATIL, Archana GUPTA, Supriya KHEUR

Abstract

Objectives: Normal and chronic wound healing is a global challenge. Electrotherapy has emerged as a novel and efficient technique for treating such wounds in recent decades. Hydrogel applied to the wound to uniformly distribute the electric current is an important component in wound healing electrotherapy. This study reports the development and wound healing efficacy testing of vitamin D entrapped polyaniline (PANI)-chitosan composite hydrogel for electrotherapy. Materials and Methods: To determine the morphological and physicochemical properties, techniques like scanning electron microscopy (SEM); differential scanning calorimetry; X-ray diffraction; fourier-transform infrared spectroscopy were used. Moreover, pH, conductance, viscosity, and porosity were measured to optimize and characterize the vitamin D entrapped PANI-chitosan composite hydrogel. The biodegradation was studied using lysozyme, whereas the water uptake ability was studied using phosphate buffer. Ethanolic phosphate buffer was used to perform the vitamin D entrapment and release study. Cell adhesion, proliferation, and electrical stimulation experiments were conducted by seeding dental pulp stem cells (DPSC) into the scaffolds and performing (3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5 diphenyl tetrazolium bromide) assay; SEM images were taken to corroborated the proliferation results. The wound healing efficacy of electrotherapy and the developed hydrogel were studied on excision wound healing model in rats, and the scarfree wound healing was further validated by histopathology analysis. Results: The composition of the developed hydrogel was optimized to include 1% w/v PANI and 2% w/v of chitosan composite. This hydrogel showed 1455 μA conduction, 98.97% entrapment efficiency and 99.12% release of vitamin D in 48 hrs. The optimized hydrogel formulation showed neutral pH of 6.96 and had 2198 CP viscosity at 26°C. The hydrogel showed 652.4% swelling index and 100% degradation in 4 weeks. The in vitro cell culture studies performed on hydrogel scaffolds using DPSC and electric stimulation strongly suggested that electrical stimulation enhances the cell proliferation in a three-dimensional (3D) scaffold environment. The in vivo excision wound healing studies also supported the in vitro results suggesting that electrical stimulation of the wound in the presence of the conducting hydrogel and growth factors like vitamin D heals the wound much faster (within 12 days) compared to non-treated control wounds (requires 21 days for complete healing). Conclusion: The results strongly suggested that the developed PANI-chitosan composite conducting hydrogel acts effectively as an electric current carrier to distribute the current uniformly across the wound surface. It also acted as a drug delivery vehicle for delivering vitamin D to the wound. The hydrogel provided a moist environment, a 3D matrix for free migration of the cells, and antimicrobial activity due to chitosan, all of which contributed to the electrotherapy’s faster wound healing mechanism, confirmed through the in vitro and in vivo experiments.

Özet

Amaç: Normal ve kronik yara iyileşmesi küresel bir zorluktur. Elektroterapi, son yıllarda bu tür yaraların tedavisi için yeni ve etkili bir hidrojel tekniği olarak ortaya çıkmıştır. Elektrik akımını eşit olarak dağıtmak için yaraya uygulanan hidrojel, yara iyileşmesi elektroterapisinde önemli bir bileşendir. Bu çalışma, elektroterapi için D vitamini içeren polianilin (PANI)-kitosan kompozit hidrojelin geliştirilmesini ve yara iyileştirme etkinlik testini bildirmektedir. Gereç ve Yöntemler: Morfolojik ve fizikokimyasal özellikleri belirlemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM); diferansiyel tarama kalorimetrisi; X-ışını kırınımı; fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi gibi teknikler kullanılmıştır. Ayrıca, D vitamini hapsedilmiş PANI-kitosan kompozit hidrojeli geliştirmek ve karakterize etmek için pH, iletkenlik, viskozite ve gözeneklilik ölçülmüştür. Biyobozunma, lizozim kullanılarak ve su alma yeteneği ise fosfat tamponu kullanılarak incelenmiştir. D vitamini tutma ve salma çalışmasını gerçekleştirmek için etanoik fosfat tamponu kullanılmıştır. Hücre adhezyonu, çoğalması ve elektrik stimülasyonu, diş özü kök hücrelerinin (DPSC) yapı iskelelerine ekilmesi ve (3-[4,5-dimetil-tiyazolil- ]2,5-difeniltetrazolyum bromür yöntemi, kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Proliferasyon sonuçlarını doğrulamak için SEM görüntüleri alınmıştır. Elektroterapinin yara iyileştirme etkinliği ve geliştirilen hidrojel, sıçanlarda eksizyon yara iyileştirme modelinde incelenmiş ve skarsız yara iyileşmesi histopatoloji analizi ile de doğrulanmıştır. Bulgular: Geliştirilen hidrojelin bileşimi, %1 a/h PANI ve %2 a/h kitosan kompozit içerecek şekilde optimize edilmiştir. Hidrojel 48 saat içinde, bu hidrojel 1455 μA iletim, %98,97 tutma verimliliği ve %99,12 D vitamini salınımı gösterdi. Optimize edilmiş hidrojel formülasyonu, 6,96 nötr pH göstermiş ve 26°C’de 2198 CP viskoziteye sahip olarak bulunmuştur. Hidrojel, 4 haftada %652,4 şişme indeksi ve %100 bozunma göstermiştir. DPSC ve elektrik stimülasyonu kullanılarak hidrojel yapı iskeleleri üzerinde gerçekleştirilen in vitro hücre kültürü çalışmaları, elektrik stimülasyonunun üç boyutlu (3D) bir iskele ortamında hücre proliferasyonunu artırdığını kuvvetle önermiştir. İn vivo eksizyon yara iyileştirme çalışmaları, iletken hidrojel ve D vitamini gibi büyüme faktörlerinin varlığında yaranın elektrikle uyarılmasının, tedavi edilmeyen kontrol yaralarına kıyasla yarayı çok daha hızlı (12 gün içinde) iyileştirdiğini öne süren in vitro sonuçları desteklemiştir (tam iyileşme için 21 gün). Sonuç: Sonuçlar, geliştirilmiş PANI-kitosan kompozit iletken hidrojelin, akımı yara yüzeyi boyunca düzgün bir şekilde dağıtmak için bir elektrik akımı taşıyıcısı olarak etkili bir şekilde hareket ettiğini kuvvetle önermiştir. Ayrıca yaraya D vitamini vermek için bir ilaç taşıyıcısı görevi görmüştür. Hidrojel, nemli bir ortam sağlayarak hücrelerin serbest migrasyonu için 3 boyutlu bir matris ve kitosan kaynaklı antimikrobiyal aktivite sağlamıştır ki bunların tümü, elektroterapinin daha hızlı yara iyileştirme mekanizmasına katkıda bulunmuş ve bu bilgiler in vitro ve in vivo deneylerle doğrulanmıştır.