Rangka Elektrospinning Chitosan–Polyethylene Oxide/Fibrinogen untuk Pengiriman PDGF Terus Mulus dan Penyembuhan Luka yang Ditingkatkan
Abstrak
Penyembuhan luka adalah proses multifaset yang diatur oleh faktor pertumbuhan, migrasi sel, dan pengaturan matriks ekstraselular. Meskipun penataan bioaktif telah maju, hanya sedikit yang mencapai praktik klinis karena tantangan pengiriman. Kami merancang rangka nanofibra yang terdiri dari chitosan (CS), polyethylene oxide (PEO), dan fibrinogen (Fb) menggunakan platform elektrospinning dual-spinneret. Komposit CS‑PEO/Fb yang dihasilkan menampilkan serat berskala nanometer, distribusi polimer seragam, dan integritas mekanis yang menguntungkan. Pemasukan faktor pertumbuhan derivasi trombosit (PDGF) tercapai tanpa kehilangan bioaktivitas, dan studi rilis menunjukkan profil bifasik yang mengirimkan 21,6 % PDGF dalam jam pertama diikuti oleh rilis terus-mulus selama 48 jam. Uji migrasi fibroblast in vitro mengonfirmasi bahwa PDGF yang dirilis dari rangka setara dengan efektivitas satu dosis 50 ng mL⁻¹, sementara komponen Fb sendirinya modest mempromosikan migrasi. Laju transfer uap air rangka (≈807 g m⁻² day⁻¹) dan kekuatan tarik (≈0,3 MPa) selaras dengan standar penataan luka klinis. Bersama-sama, data ini menunjukkan bahwa rangka elektrospinning CS‑PEO/Fb menyediakan platform bioaktif yang kuat untuk pengiriman faktor pertumbuhan terus-mulus dan penyembuhan luka yang dipercepat.
Latar Belakang
Meskipun kemajuan dalam perawatan luka, terjemahan penataan bioaktif ke klinis masih terbatas. Kaskad penyembuhan luka bergantung pada interaksi terkoordinasi sitorokit, sel imun, dan protein matriks. Faktor pertumbuhan, meskipun potensil, menderita klarifikasi cepat dan umur singkat, memerlukan pengobatan berulang yang memberatkan pasien. Penataan yang mampu pengiriman terus-mulus dan lokal akan secara dramatis meningkatkan hasil dan penerimaan.
PDGF adalah agen kemotaxis penting yang memobilisasi neutrofil, monosit, dan fibroblast, dan memodulasi penampilan matriks dan pembentukan luka bakar. Gel Regranex® yang disetujui FDA (2,2 µg cm⁻²) mempercepat penyembuhan sekitar 30 % pada luka diabetik, namun aplikasi harian tidak nyaman. Jadi, sistem rilis terus-mulus diinginkan.
Elektrospinning menawarkan jalur serbaguna untuk menghasilkan lembaran nanofibra yang meniru matriks ekstraselular asli. Polimer alami seperti kolagen, elastin, dan fibrinogen memiliki bioaktivitas inherent dan afinitas untuk faktor pertumbuhan. Namun, fibrinogen sendirinya tidak memiliki kekuatan mekanis yang diperlukan untuk aplikasi penataan jangka panjang. Chitosan, turunan deasetilasi kitin, menyediakan aktivitas antimikroba dan dapat di-elektrospin ketika dicampur dengan PEO. Sifat poliionik positif CS menyulitkan pencampuran dengan Fb yang bermuatan negatif, tetapi elektrospinner dual-nozzel mengatasi ketidaksesuaian elektrostatis, memungkinkan pembentukan komposit seragam.
Metode
Bahan
Semua reagen (asam asetat, CS, PEO, Fb, HFIP, BSA, DMSO) dan baris sel (fibroblast dermis manusia PCS‑201‑012) dibeli dari Sigma‑Aldrich atau ATCC dan digunakan sesuai terima. PDGF‑BB rekombinan manusia diperoleh dari PeproTech.
Pembuatan Rangka
Larutan CS‑PEO (5,5 wt %, CS:PEO = 2:1) disiapkan dalam asam asetat 1 % dengan 0,5 % BSA dan 10 % DMSO. Fb dilarutkan dalam campuran HFIP/10× EMEM 1:9 (v/v) pada 110 mg mL⁻¹. PDGF ditambahkan segera sebelum spinning. Elektrospinning dual-spinneret (pompa serinji NE‑1000, jarum 18-gauge) menggunakan aliran 0,7 mL h⁻¹ (CS‑PEO) dan 1,0 mL h⁻¹ (Fb), tegangan 28 kV dan 22 kV, dan mandrel berputar 25 RPM pada 22 cm (CS‑PEO) dan 12,5 cm (Fb). Pemindaian dilakukan selama 3 jam pada 35–45 % RH.
Morfologi
Citra FESEM (Zeiss Sigma VP‑40) dari sampel dilapis emas mengukur diameter serat (n = 100 per rangka) melalui ImageJ. Serat CS‑PEO/Fb rata-rata 202 ± 113 nm, lebih tipis daripada CS‑PEO (270 ± 68 nm) dan Fb (351 ± 102 nm) sendirian.
Kimia Permukaan
ToF‑SIMS (Bi₃²⁺, 30 kV) memetakan ion karakteristik (CNO⁻, CN⁻, C₂H₅O⁺) di seluruh raster 50 × 50 µm, mengonfirmasi distribusi CS‑PEO dan Fb yang seragam.
Sudut Kontak Air
Diukur sesuai ASTM D7334‑08 dengan 2 µL air destilasi. CS‑PEO/Fb menunjukkan sudut kontak hidrofilik 61,4 ± 7,6 °, menengah antara CS‑PEO (44,2 ± 5,1 °) dan Fb (115,7 ± 16,2 °).
Pengujian Mekanis
Uji tarik uniaksial (Instron E3000, 1 mm min⁻¹) pada strip 40 × 25 mm (ketebalan 94 ± 7 µm) menghasilkan kurva stres‑strain. CS‑PEO/Fb mencapai stres puncak 0,31 ± 0,02 MPa, melebihi Fb sendirian (0,12 ± 0,01 MPa).
Laju Transfer Apa Uap
WVTR ditentukan sesuai ASTM E96 menggunakan desikagen silika-gel; CS‑PEO/Fb mencapai 806,5 ± 56,1 g m⁻² day⁻¹, dalam rentang yang diinginkan klinis (≈2 000 g m⁻² day⁻¹).
Sitosotoksitas
Uji WST‑1 tidak langsung (ISO 10993‑5) selama 120 jam tidak menunjukkan inhibisi proliferasi yang signifikan pada 48 jam, meskipun penurunan modest muncul pada 72 jam, mungkin karena tingkat asetilasi CS.
Pelekatan Sel
Pewarnaan Live/Dead dan phalloidin–DAPI dari fibroblast pada permukaan rangka menunjukkan morfologi sehat dan pelekatan yang kuat yang sebanding dengan kontrol dilapis fibronectin.
Degradasi
Rangka yang diinkubasi dalam FBM (37 °C, 5 % CO₂) menunjukkan penurunan massa linier setelah ledakan 1 jam awal, mempertahankan integritas selama ≥48 jam.
Rilis PDGF
ELISA mengukur rilis kumulatif: 1,8 ± 0,7, 4,4 ± 1,8, dan 11,4 ± 4,8 ng mg⁻¹ pada pemuatan 2, 4, dan 8 µg mL⁻¹, masing-masing. Pola bifasik melepaskan 21,6 % dalam jam pertama.
Migrasi Fibroblast
Uji migrasi ORIS™ menunjukkan bahwa eluat dari rangka termuat PDGF cocok dengan migrasi yang diinduksi oleh satu dosis PDGF 50 ng mL⁻¹, dengan efek yang berkelanjutan hingga 48 jam. Fb sendirinya juga modest mempromosikan migrasi.
Hasil dan Pembahasan
Elektrospinning dual-spinneret berhasil menggabungkan CS‑PEO dan Fb ke dalam matriks nanofibra homogen, mengatasi ketidaksesuaian elektrostatis. Pengurangan diameter serat dalam komposit dikaitkan dengan repulsif jet yang meningkat, memperpanjang waktu penyerapan dan menginduksi instabilitas membengkok yang menghasilkan serat yang lebih halus.
Pemetaan ToF‑SIMS mengonfirmasi komposisi permukaan yang seragam, dan sudut kontak air menunjukkan permukaan hidrofilik yang mencegah adhesi bakteri sambil mendukung adsorpsi protein. Pengujian mekanis menunjukkan bahwa integrasi CS‑PEO memulihkan kekuatan tarik yang cocok untuk penataan luka, mengatasi kelemahan inherent Fb.
Pengukuran WVTR menempatkan CS‑PEO/Fb dalam jendara terapeutik untuk lingkungan luka lembap, menyeimbangkan pengelolaan eksudat dan permeabilitas oksigen. Uji sitosotoksitas menunjukkan bahwa sisa HFIP atau konsentrasi DA CS tinggi adalah minimal; profil keamanan biologis rangka dapat diterima untuk terjemahan klinis.
Profil rilis PDGF menunjukkan pola bifasik yang diinginkan: ledakan awal yang mengirimkan sekitar 21 % dosis, diikuti oleh rilis terkontrol, linier yang mempertahankan konsentrasi yang relevan secara biologis selama 48 jam. Pengiriman terus-mulus ini menghilangkan kebutuhan untuk penggantian penataan harian yang diperlukan oleh Regranex®, yang berpotensi meningkatkan kepatuhan pasien.
Uji fungsional mengonfirmasi bahwa PDGF yang dirilis mempertahankan aktivitas kemotaksis, mencapai migrasi fibroblast setara dengan satu perawatan dosis tinggi. Efek aditif dari properti kemotaksis intrinsic Fb lebih meningkatkan rekrutmen sel, yang menunjukkan mekanisme sinergis.
Kesimpulan
Rangka nanofibra elektrospinning CS‑PEO/Fb menggabungkan keuntungan antimikroba dan mekanis chitosan dengan bioaktivitas fibrinogen, sambil memungkinkan pengiriman PDGF yang terus-mulus dan fungsional. Arsitektur skala nano, WVTR yang sesuai, dan kekuatan mekanis yang kuat membuatnya kandidat yang menjanjikan untuk penataan luka generasi berikut yang dapat mempercepat rekrutmen fibroblast dan penyembuhan tanpa ketidaknyamanan dari aplikasi faktor pertumbuhan berulang.
