Оцінка біосумісності та антибактеріальної ефективності тривимірних волокнистих матеріалів з інкорпорованими наночастинками

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню біосумісності та антибактеріальної ефективності тривимірних нановолокон з інкорпорованими наночастинками металів. Стійкість до антибіотиків є однією з основних проблем в охороні здоров'я та причиною персистувальних інфекцій, пов'язаних з утворенням біоплівки на місцях інфекцій, із медичними пристроями (катетери, протези суглобів і протезні клапани серця), що призводить до зростання необхідності в більш ефективних антибіотиках. Більше того, нові антибіотики демонструють обмежену ефективність проти резистентних штамів. Наприклад, згідно з базою даних ВООЗ з епідеміологічного надзору за стійкістю до антимікробних препаратів за один рік (з 2018 р. до 2019 р.) частота виявлення резистентної до карбапенемів E. сoli зросла в Україні з 1 % до 10–25 %. Серед особливо важливих стратегій боротьби із цією глобальною медико соціальною проблемою провідним клінічним аспектом є не лише оптимізація використання антибіотиків, а й створення нових рішень із використанням альтернативних протимікробних засобів. Розв’язанню зазначеної актуальної медико-соціальної проблеми сьогодення може сприяти більш широке використання можливостей використання матеріалів із хітозану. Мета дослідження полягає у розробленні нових антимікробних матеріалів місцевого призначення, що можуть проявити себе як ефективні засоби в боротьбі з бактеріальними інфекціями й сприяти покращанню якості та безпеки життя людей. Хітозан – це біополімер із відновлюваних ресурсів, який отримують із крабів, омарів, черепах, креветок та комах. Хітозан є особливим типом біополімеру, а наявність первинних амінів у його основній структурі надає йому вигідних фізико-хімічних характеристик та сприяє унікальній взаємодії з білками, клітинами та іншими біологічно активними речовинами. Найважливішими з його властивостей для біомедичного застосування є нетоксичність, антибактеріальна активність та здатність до біодеградації. Нещодавно електроспінінг став одним із найпопулярніших методів виробництва нановолокон із різних синтетичних і природних полімерів. Цей метод дозволяє отримувати матеріали з діаметрами волокон менше ніж 100 нм, що імітують природний позаклітинний матрикс і можуть сприяти адгезії клітин та регенерації тканин. Також доведено, що волокнисті конструкції з хітозану демонструють більшу ефективність, ніж плівки, губки або гелі. Хоча численні дослідження вивчали вплив різних параметрів електроспінінгу на структуру нановолокнистих матеріалів, багато з них зосереджені виключно на фізичних характеристиках без урахування їх біологічних властивостей. Вплив параметрів полімерного розчину (таких як молекулярна маса й концентрація полімеру) та умов процесу (швидкість потоку, відстань між колектором і кінчиком голки, прикладена напруга, температура і вологість) на розмір і морфологію нановолокон є загальновизнаним. Однак не менш важливо оцінити вплив цих параметрів процесу на морфологію поверхні, механічні властивості, розмір та кількість пор нановолоконних мембран, оскільки вони є важливими показниками якості матеріалу. Обмеження, пов'язані з електропряденими матеріалами, включають низькі антимікробні властивості, слабкі механічні характеристики, низьку біодеградацію та біосумісність, можуть бути усунені шляхом змішування білків, полісахаридів та синтетичних полімерів. Проте електропрядіння розчину хітозану є досить складним процесом через його високу в'язкість та наявність вільних аміногруп, які утворюють позитивно заряджений поліелектроліт у кислому середовищі. Збільшення концентрації кислоти в розчині хітозану може знизити поверхневий натяг та полегшити процес електроспінінгу. Багато органічних і неорганічних кислот використовують для розчинення хітозану. Крім того, тип використаного розчинника також впливає на біологічну активність матеріалів із хітозану. Щодо цього дихлорметан (DCM) та трифтороцтова кислота (TFA) виявилися найбільш придатними розчинниками для виробництва електропрядених волокон хітозану. Розчинники трифтороцтова кислота (TFA) і дихлорметан (DCM) можуть покращити однорідність електропрядених волокон хітозану, оскільки аміногрупи хітозану можуть утворювати солі з TFA, що руйнує взаємодію між молекулами хітозану, сприяючи процесу електропрядіння. Проте мембрани з хітозану, виготовлені з використанням TFA з DCM або без нього, обмежені через втрату волокнистої структури або повне розчинення мембрани після прямого контакту з нейтральними або слаболужними водними розчинами. Було запропоновано різні методи нейтралізації для збереження міцності хітозанових мембран і перетворення їх на нерозчинні у водних середовищах. Метою першого етапу досліджень було вибрати розчин для виробництва нановолоконних нерозчинних мембран із хітозану, що підходять для біомедичного застосування та інженерії тканин, для подальшої їх модифікації наночастинками металів. Нові мембрани хітозану, одержані з двох співвідношень співрозчинників TFA/DCM (7:3 і 9:1), були виготовлені за допомогою традиційного електропрядіння, за яким відбувалося оброблення водним 1 М NaOH, водним 1 М Na2CO3, NaOH-етанолом або Na2CO3-етанолом. Мембрани хітозану, виготовлені із співвідношенням 7:3 TFA/DCM, проявили значно вищу пористість із більш однорідним розподілом розмірів волокон порівняно з мембранами хітозану, виготовленими з 9:1 TFA/DCM. Нановолокнисті мембрани, нейтралізовані у водному Na2CO3, не зберегли нановолокнистої структури, утворивши плівкову структуру. На відміну від цього постоброблення NaOH-етанолом (70/30) зберегло нановолокнисту структуру. Нейтралізація етанолом-Na2CO3 не зберігала нановолокнистої структури, і лише водний NaOH зберігав часткову волокнисту структуру зразків. Крім структурної стабільності, нейтралізація NaOH-етанолом зберегла структуру мембран після експерименту з деградації у PBS упродовж 1 місяця. Всі варіанти мембран (після виготовлення та після нейтралізації) підтримували прикріплення й проліферацію клітин протягом 6-денного періоду, але оброблення етанолом мембран хітозану, виготовлених із 9:1 TFA/DCM, спричинило зменшення росту клітин. Мембрани хітозану, виготовлені із співвідношення розчинників 7:3 TFA/DCM, проявляли біосумісність та ефективні антибактеріальні властивості проти S. aureus і E. coli. Проте мембрани хітозану, виготовлені за допомогою системи розчинників 9:1 TFA/DCM та нейтралізовані в спиртовому розчині NaOH, проявили більш виражений антиадгезивний потенціал, що дозволяє стверджувати про їх здатність запобігати процесу біоплівкоутворення. Ці дослідження спонукали до подальших досліджень із використання електропрядених нановолокнистих матеріалів як антибактеріальних засобів для контролю адгезії та проліферації бактерій за допомогою структурних та фізико хімічних характеристик мембран, а також виробництва нановолокнистих нерозчинних мембран із хітозану, придатних для біомедичних застосувань та інженерії тканин. Значною перевагою інженерії електропрядених нановолокон є можливість виготовлення композитних полімерних волокон із різними властивостями за допомогою включення різних лікарських засобів для надання їм необхідних терапевтичних властивостей. Поліетиленгліколь (PEG)- нановолокна можуть бути завантажені різними речовинами, включаючи наночастинки, рослинні екстракти, вуглецеві наноматеріали та антимікробні агенти з метою посилення антимікробних властивостей. Крім того, важливим напрямком досліджень є контрольоване вивільнення терапевтичних агентів з електропрядених нановолокон. Особливо перспективним є використання електропрядених нановолокон у ранових пов'язках. Велика площа поверхні нановолокон дозволяє покращити загоєння ран. Розроблення пористих мембран на основі хітозану та полімолочної кислоти було реалізоване як потенційне рішення. Результати показують, що додавання PEG до полімерних розчинів істотно впливає на діаметр, морфологію та пористість електропрядених нановолокон. Додавання PEG до розчину із суміші хітозан / полімолочна кислота (Ch/PLA) підвищує гідрофільність отриманих матеріалів. Виготовлені матеріали, що складаються з Ch, модифікованого PLA і PEG як співрозчинника, разом із постобробленням (нейтралізацією лугом) для підвищення водостійкості демонструють повільнішу швидкість деградації (стабільна помірна втрата ваги впродовж 16 тижнів) і знижену гідрофобність (менший контактний кут, що досягає 21,95 ± 2,17°), що робить їх перспективними для біомедичних застосувань. Антибактеріальну активність мембран оцінювали стосовно золотистого стафілокока та кишкової палички, причому зразки, що містять PEG, показали вдвічі більші рівні пригнічення швидкості розмноження бактерій. Дослідження в культурі клітин in vitro продемонстрували, що PEG-вмісні матеріали сприяють рівномірному прикріпленню та проліферації клітин. Адгезія бактерій – це складний процес, що має багато стадій і призводить до формування біоплівок. Різноманітні фізичні сили та фізико-хімічні взаємодії спочатку призводять до реверсивної, а пізніше – до необоротної мікробної адгезії. Формуванню мікробної біоплівки можна запобігти за допомогою прямого контактного антимікробного ефекту. Посилені антимікробні властивості можна досягти за допомогою включення біоцидних агентів, таких як металеві наночастинки, до біополімеру. Проте електропрядені нановолокна, навантажені металевими наночастинками, такими як AgNPs, можуть мати цитотоксичний ефект на клітини ссавців. З іншого боку, успішне керування складом розчину та контрольованою структурою нановолокнистих мембран на додаток до відповідної процедури постоброблення є необхідним, ураховуючи важливість початкової взаємодії між бактеріальними клітинами й нановолокнами. Антимікробні властивості срібла та його іонів мають великий потенціал у дослідженнях, спрямованих на створення полімерних матеріалів, що містять інкорпоровані срібні наночастинки (AgNPs), які зможуть забезпечити вивільнення AgNPs й тривалий антибактеріальний ефект. Розміри частинок AgNPs перебувають у діапазоні 1–100 нм, що характеризує їх як наноматеріали. Вони демонструють підвищену здатність та більшу площу поверхні до об’єму порівняно зі звичайним сріблом. На нанорівні AgNPs проявляють унікальні електричні, оптичні та каталітичні властивості й мають антибактеріальну активність проти різних інфекційних і патогенних мікроорганізмів, включаючи стійкі до багатьох антибактеріальних препаратів. Це дослідження висвітлює потенціал електропрядених хітозанових мембран як ефективних антимікробних покриттів для біомедичних застосувань, а інтеграція наночастинок срібла в ці мембрани також підвищує й урівноважує їх дозозалежну антибактеріальну ефективність, починаючи з 25–50 мкг/мл, проти S. aureus і E. сoli в експерименті in vitro. Антиадгезивна активність мембран проти цих бактеріальних штамів ще більше підкреслює їх ефективність у боротьбі з мікробними інфекціями, а також у запобіганні утворенню бактеріальних біоплівок завдяки модифікації нановолокнистих матеріалів AgNPs. Експеримент in vivo на лабораторних щурах дозволив установити перевагу навантажених наночастинками срібла Ch/PLA мембран щодо антимікробної дії на ранову інфекцію, сприяючи більш ефективному очищенню та загоєнню ран порівняно з немодифікованими зразками. Мембрани Ch/PLA, модифіковані AgNPs, на 3-тю добу показали помірно виражений запальний процес із некротизованими тканинами та грануляційною тканиною. На 10-ту добу спостерігалося утворення зрілої грануляційної тканини з мінімальною запальною інфільтрацією, а на 21-шу добу тканини характеризувалися фіброзними змінами з незначною запальною реакцією, що свідчило про ефективне загоєння ран. Комплексне оцінювання цих нових матеріалів, що демонструють покращені фізичні, хімічні й біологічні властивості in vitro та in vivo, підкреслює їх потенціал для біомедичного застосування в тканинній інженерії та регенеративній медицині.

The dissertation is devoted to the study of the biocompatibility and antibacterial efficiency of three-dimensional nanofibers with incorporated metal nanoparticles. Antibiotic resistance is one of the major problems in healthcare and is the cause of persistent infections associated with biofilm formation at infection sites related to medical devices (catheters, joint prostheses, and prosthetic heart valves). The need for more effective antibiotics is growing daily. Moreover, new antibiotics show limited effectiveness against resistant strains. For instance, according to the WHO's antimicrobial resistance surveillance database, the detection frequency of carbapenem resistant E. coli in Ukraine increased from 1 % to 10–25 % within one year . Among the particularly important strategies to combat this global medical and social issue, a leading clinical aspect is not only optimizing the use of antibiotics but also creating new solutions using alternative antimicrobial agents. Addressing this pressing medical and social problem can be facilitated by the broader utilization of materials derived from chitosan. The aim of the study is to develop new antimicrobial materials that can prove to be effective means in the fight against bacterial infections and contribute to improving the quality and safety of human life. Chitosan is a biopolymer derived from renewable resources, obtained from crabs, lobsters, turtles, shrimp, insects, and food waste. Chitosan is a special type of biopolymer, and the presence of primary amines in its main structure gives it advantageous physicochemical characteristics and unique interactions with proteins, cells, and other biologically active substances. The most important properties for biomedical applications are its non-toxicity, antibacterial activity, and biodegradability. Recently, electrospinning has become one of the most popular methods for producing nanofibers from various synthetic and natural polymers. This method allows for the creation of materials with fiber diameters of less than 100 nm, which mimic the natural extracellular matrix and can promote cell adhesion and tissue regeneration. It has also been proven that fibrous structures made from chitosan demonstrate greater effectiveness than films, sponges, or gels. Although numerous studies have examined the influence of various electrospinning parameters on the structure of nanofibrous materials, many of them focus exclusively on physical characteristics without considering their biological properties. The impact of polymer solution parameters (such as molecular weight and polymer concentration) and process conditions (flow rate, distance between the collector and the needle tip, applied voltage, temperature, and humidity) on the size and morphology of nanofibers is well recognized. However, it is equally important to assess the influence of these process parameters on surface morphology, mechanical properties, and the size and number of pores in nanofibrous membranes, as these are critical indicators of their quality. Limitations associated with electrospun materials, such as low antimicrobial properties, weak mechanical characteristics, low biodegradability, and biocompatibility, can be overcome by blending proteins, polysaccharides, and synthetic polymers. However, electrospinning chitosan solution is quite a complex process due to its high viscosity and the presence of free amino groups, which form a positively charged polyelectrolyte in an acidic environment. Increasing the acid concentration in the chitosan solution can reduce surface tension and facilitate the electrospinning process. Many organic and inorganic acids are used to dissolve chitosan. Moreover, the type of solvent used also affects the biological activity of chitosan-based materials. In this regard, dichloromethane (DCM) and trifluoroacetic acid (TFA) have proven to be the most suitable solvents for producing electrospun chitosan fibers. The solvents trifluoroacetic acid (TFA) and dichloromethane (DCM) can improve the uniformity of electrospun chitosan fibers, as chitosan amino groups can form salts with TFA, disrupting interactions between chitosan molecules and promoting the electrospinning process. However, chitosan membranes made using TFA with or without DCM are limited due to the loss of the fibrous structure or complete dissolution of the membrane after direct contact with neutral or slightly alkaline aqueous solutions. Various neutralization methods have been proposed to preserve the strength of chitosan membranes and make them insoluble in aqueous environments. The aim of the first stage of the research was to select a solution for producing nanofibrous insoluble membranes from chitosan suitable for biomedical applications and tissue engineering, for subsequent modification with metal nanoparticles. New chitosan membranes, made using two TFA/DCM ratios (7:3 and 9:1), were produced by traditional electrospinning followed by treatment with aqueous 1 M NaOH, aqueous 1 M Na2CO3, NaOH-ethanol, or Na2CO3-ethanol. Chitosan membranes made with 7:3 TFA/DCM exhibited significantly higher porosity with a more uniform fiber size distribution compared to chitosan membranes made with 9:1 TFA/DCM. Nanofibrous membranes neutralized in aqueous Na2CO3 did not retain the nanofibrous structure, forming a film-like structure. In contrast, post-treatment with NaOH-ethanol (70/30) preserved the nanofibrous structure. Neutralization with ethanol-Na2CO3 did not retain the nanofibrous structure, and only aqueous NaOH preserved a partial fibrous structure. Besides structural stability, NaOH-ethanol neutralization preserved the membrane structure after a degradation experiment in PBS over one month. All membrane variants (post-production and post-neutralization) supported cell attachment and proliferation over a 6-day period, but ethanol treatment of chitosan membranes made with 9:1 TFA/DCM resulted in reduced cell growth. Chitosan membranes made with 7:3 TFA/DCM demonstrated biocompatibility along with moderate and more effective antibacterial properties against S. aureus and E. coli. Overall, chitosan membranes made using 7:3 TFA/DCM and then neutralized in a 70 % ethanol / 30 % aqueous solution have potential for biomedical applications in regenerative medicine and as scaffolds for tissue engineering. These findings encourage further research into the use of electrospun nanofibrous materials as antibacterial agents for controlling bacterial adhesion and proliferation through the structural and physicochemical characteristics of the membranes, as well as the production of nanofibrous insoluble chitosan membranes suitable for biomedical applications and tissue engineering. A significant advantage of electrospun nanofiber engineering is the ability to create composite polymer fibers with varying properties by incorporating different drugs to provide them with necessary therapeutic properties. PEG nanofibers can be loaded with various substances, including nanoparticles, plant extracts, carbon nanomaterials, and antimicrobial agents, to enhance their antimicrobial properties. Furthermore, controlled release of therapeutic agents from electrospun nanofibers is an important research direction. The use of electrospun nanofibers in wound dressings is particularly promising. The large surface area of nanofibers improves wound healing. The development of porous scaffolds based on chitosan and polylactic acid has been realized as a potential solution. The results show that the addition of polyethylene glycol (PEG) to polymer solutions significantly affects the diameter, morphology, and porosity of electrospun nanofibers. Adding PEG to the chitosan/polylactic acid (Ch/PLA) solution increases the hydrophilicity of the resulting materials. The produced materials, consisting of Ch, modified PLA, and PEG as a co-solvent, along with post-treatment (alkaline neutralization) to enhance water resistance, exhibit slower degradation rates (stable moderate weight loss over 16 weeks) and reduced hydrophobicity (lower contact angle reaching 21.95 ± 2.17°), making them promising for biomedical applications. The antibacterial activity of the membranes was evaluated against Staphylococcus aureus and Escherichia coli, with PEG-containing samples showing twice the levels of bacterial growth inhibition. In vitro cell culture studies demonstrated that PEG-containing materials promote uniform cell attachment and proliferation. Bacterial adhesion is a complex, multi-stage process that leads to biofilm formation. Various physical forces and physicochemical interactions initially result in reversible, and later irreversible, microbial adhesion. The formation of microbial biofilms can be prevented through a direct contact antimicrobial effect. Enhanced antimicrobial properties can be achieved by incorporating biocidal agents, such as metal nanoparticles, into the biopolymer. However, electrospun nanofibers loaded with metal nanoparticles, such as AgNPs, may have a cytotoxic effect on mammalian cells. On the other hand, successful management of the solution composition and controlled structure of nanofibrous membranes, in addition to an appropriate post-treatment procedure, is essential considering the importance of the initial interaction between bacterial cells and nanofibers. The antimicrobial properties of silver and its ions have great potential in research aimed at creating polymeric materials containing incorporated silver nanoparticles (AgNPs) that can provide the release of AgNPs and ensure a prolonged antibacterial effect. The particle sizes of AgNPs range from 1 to 100 nm, which characterizes them as nanomaterials. They exhibit enhanced capability and a larger surface area to volume ratio compared to regular silver. At the nanoscale, AgNPs display unique electrical, optical, and catalytic properties and possess antibacterial activity against various infectious and pathogenic microorganisms, including those resistant to many antibacterial agents. This study highlights the significant potential of electrospun chitosan membranes as effective antimicrobial coatings for biomedical applications, and the integration of silver nanoparticles into these membranes further enhances and balances their dose-dependent antibacterial efficacy, starting from 25–50 µg/mL against S. aureus and E. coli. The anti-adhesive activity of the membranes against these bacterial strains further emphasizes their effectiveness in combating microbial infections and preventing bacterial biofilm formation through the modification of nanofibrous materials with AgNPs. The in vivo experiment on laboratory rats demonstrated the superiority of Ch/PLA membranes loaded with silver nanoparticles in terms of antimicrobial action on wound infection, promoting more effective wound cleansing and healing compared to unmodified samples. Ch/PLA membranes modified with AgNPs showed a moderately pronounced inflammatory process with necrotic tissues and granulation tissue on day 3. By day 10, mature granulation tissue formation with minimal inflammatory infiltration was observed, and by day 21, the tissues were characterized by fibrotic changes with a slight inflammatory response, indicating effective wound healing. A comprehensive evaluation of these new materials, which demonstrate improved physical, chemical, and biological properties in vitro and in vivo, underscores their potential for biomedical applications in tissue engineering and regenerative medicine.