Antibakterielles, multifunktionelles Hydrogel auf Basis von Carboxymethylchitosan

Hydrogele können durch die Ausbildung eines 3D Netzwerkes vielseitig in der Biomedizin eingesetzt werden. In der hier präsentieren Studie wurde ein antibakterielles, adhäsives, selbstreparierendes Hydrogel aus Carboxymethylchitosan (CMC) und oligomeren Polycyanidin (OPC) hergestellt und der Einfluss des OPC-Gehaltes untersucht.

EINFACHE HERSTELLUNG EINES ANTIBAKTERIELLEN, MULTIFUNKTIONELLEN HYDROGELS AUF BASIS VON CARBOXYMETHYLCHITOSAN UND OLIGOMEREN PROCYANIDIN

He Y, Guo S, Chang R, Zhang D, Ren Y, Guan F, Yao M. Facile preparation of antibacterial hydrogel with multi-functions based on carboxymethyl chitosan and oligomeric procyanidin. RSC Adv. 2022 Jul 21;12(32):20897-20905. doi: 10.1039/d2ra04049b. PMID: 35919176; PMCID: PMC9301940

Als Hydrogele bezeichnet man wasserlösliche Polymere, die eine einzigartige 3D Struktur besitzen. Dadurch besitzen sie eine große Ähnlichkeit zu biologischen Geweben sowie der extrazellulären Matrix, was sie interessant für biomedizinische Anwendungen macht.

Insbesondere sich in situ ausbildende, selbstheilende, adhäsive Hydrogele sind dafür interessant. Sie sind injizierbar, füllen irreguläre Strukturen auf, können sich im Fall eines Defekts selbst reparieren und haften über einen längeren Zeitraum an einer Oberfläche. Dies ist zum Beispiel für Hydrogele mit einer antimikrobiellen Wirkung essentiell, die genutzt werden können um längerfristig Infektionen zu vermeiden. Insbesondere vor dem Hintergrund einer wachsenden Anzahl mikrobieller Resistenzen müssen neue alternative Strategien zu Antibiotika gefunden werden.

Eine natürliche antimikrobielle Wirkung besitzt das Chitosan Derivat Caboxymethylchitosan (CMC). CMC besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Chitosan eine verbesserte Löslichkeit und eine bessere Biokomptabilität. Zudem bildet CMC ein 3D Netzwerk aus, dass durch crosslinking Agenzienverbessert werden kann. Genutzt werden dafür können phenolreiche Verbindungen, wie die aus Weintrauben stammende oligomere Polycyanidin (OPC).

In der vorgestellten Studie soll ein schneller, einfacher Ansatz entwickelt werden um ein injizierbares, selbstheilendes, adhäsives und antibakterielles Hydrogel basierend auf CMC und OPC herzustellen. Die Eigenschaften des Hydrogels wurden durch den OPC-Gehalt (2, 4, 6 % → CMC/OPC₂, CMC/OPC_4, CMC/OPC₆) eingestellt. Der CMC-Gehalt betrug 3 %.

ERGEBNISSE

• Erfolgreiche Herstellung Hydrogel durch Mischen der CMC und OPC-Lösungen
• Nachweis Ausbildung H-Brücken zwischen CMC und OPC mittels FTIR
• Gelationszeit von 125,3 s für CMC/OPC₂, 18,7 s für CMC/OPC₄ und 5,3 s für CMC/OPC₆ →sinkt mit steigendem OPC-Gehalt
• Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Hydrogele mit steigendem OPC-Gehalt
• Steigendes Schwellvermögen mit wachsendem OPC-Gehalt (CMC/OPC₂: 153,1 %, CMC/OPC₄: 180,6 %, CMC/OPC₆: 219,1 %)
• Abbau von CMC/OPC-Hydrogelen nach 11 Tagen in vitro
• Alle Hydrogele wiesen eine gut definierte, 3D vernetzte Struktur via SEM auf
• Beobachtung einer guten Selbstheilungsfähigkeit für alle hergestellten Hydrogele
• CMC/OPS Hydrogele sind in der Lage an verschiedene Oberflächen z.B. Metall, Kunststoff oder Glas zu haften
• Einfache Adhäsion an biologischen Geweben wie Herz, Leber, Lunge oder Haut
• Adhäsionsstärke von bis zu 17,7 kPas für CMC/OPC₆
• Bei direktem Kontakt: Inhibition von S. aureus für CMC/OPC₄ und CMC/OPC₆ größer als 95 %, für CMC/OPC₂ nur 81 %, für E. coli alle mehr als 95 %

Schlussfolgerungen: In der präsentierten Studie wurde erfolgreich mittels einer einfachen Methode ein antibakterielles, adhäsives, selbstheilendes Hydrogel aus CMC und OPC hergestellt. Der OPC Gehalt hatte dabei Einfluss auf die Gelationszeit, die mechanischen Eigenschaften und das Schwellvermögen. Zudem zeigten alle hergestellten Hydrogele gute antibakterielle Eigenschaften. Dadurch besitzen die CMC/OPC-Hydrogele ein großes Potential für antibakterielle Anwendungen.

Link zum Artikel: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ra/d2ra04049b