Bilayer chitosan/zein based nanofibers for antimicrobial wound dressing application

Abstract

Nowadays, modern functional wound dressings have become prominence due to their biocompatible, biodegradable, and non-toxic nature and ability to mimic ECM of skin. To enhance their mechanical and prolonged cumulative release of drugs in media, environmentally friendly inorganic nanofillers are preferred. Recently, halloysite nanotubes (HNTs) which is a new class of inorganic filler are using to improve mechanical properties and thanks to their tubular structure various agents encapsulated into these tubes to make drug release more controlled. In this thesis, it was aimed to fabricate and characterize bilayer wound dressing by using Zein-Vancomycin loaded HNTs nanofibers as upper layer to mimic ECM of skin and provide antibacterial protection and chitosan sponge as bottom layer to absorb the excess exudates of wound, provide gas transmission and facilitate the migration of inflammatory and fibroblast cells into the healing wounds. The morphology of nanofibers and encapsulation efficiency of HNTs are optimized to achieve similar homogeneous fiber structure with skin tissue and controlled release of Vancomycin drug. Chemical interaction between Vancomycin-HNT and Zein-HNT were characterized by FT-IR. The surface charge differences of HNTs by encapsulating drug into tubes was determined by zeta potential analysis. The weight loss percentage of nanofiber with the addition of HNTs into zein media was characterized by using thermogravimetric analysis (TGA). Bilayer sponges were characterized by SEM, FT-IR, porosity, mechanical properties, contact angle, water vapor transmission rate, swelling, degradation, cumulative drug release and their kinetics and antimicrobial activity analyzes. The diameter of drug loaded HNT-Zein nanofibers were found 202,7±0,05–225,2±0,06 nm which is in the range of native skin collagen fibril (50-500 nm) than can mimic ECM. The water vapor permeability of the wound dressings is between 2833 and 2490 g/m2day which is found in the appropriate range for wound healing. Bilayer dressings reached 78% cumulative release at the end of 14 days and the release medium showed antimicrobial activity against E. coli and for S. epidermidis. In conclusion, the developed drug-loaded bilayer mat has been found as a potential candidate for wound dressings applications to treat the chronic infections.

Günümüzde modern biyoaktif yara örtüleri, biyolojik olarak uyumlu, biyolojik olarak parçalanabilen, toksik olmayan ve cildin ekstraselüler matris yapısını taklit etme yetenekleri sayesinde ön plana çıkmışlardır. Bu yara örtülerinin mekanik özelliklerini iyileştirmek ve kümülatif ilaç salım sürelerini arttırmak için çevre dostu inorganik nano-dolgular tercih edilir. Son zamanlarda, yeni bir inorganik dolgu sınıfı olan halloysit nanotüpler (HNT'ler) kullanılmaktadır. Karakteristik tübüler yapıları sayesinde ilaç salınımını daha kontrollü hale getirmek için çeşitli ajanlar bu tüplere enkapsüle edilebilmektedir. Bu tez çalışmasında, cildin ECM'sini taklidi ve antibakteriyel koruma özellikleri nedeniyle üst katman olarak Zein-Vancomycin yüklü HNTs nanofiberleri kullanılmıştır. Ayrıca alt tabaka olarak yaranın fazla eksüdalarını absorbe etmesi, hava ve su buharı geçirgenliği sağlaması için kitosan sünger kullanılmıştır. Bu çalışmada iki katmandan oluşan yara örtüsünün üretilmesi ve karakterize edilmesi amaçlanmıştır. Nanoliflerin morfolojisi, HNT'lerin kapsülleme verimliliği ve kontrollü Vankomisin ilaç salımı optimize edilmiştir. Üst ve alt tabakaların morfolojileri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak analiz edilmiştir. Vankomisin-HNT ve Zein-HNT arasındaki kimyasal etkileşim, FT-IR ile karakterize edilmiştir. İlacın tüplere yüklenmesiyle oluşan HNT'lerin yüzey yük farklılıkları, zeta potansiyel analizi ile belirlenmiştir. Zein polimer solüsyonuna HNT'lerin eklenmesiyle değişen ağırlık kaybı yüzdesi, termogravimetrik analiz (TGA) kullanılarak karakterize edilmiştir. Nanolif tabakasının hidrofilik karakterinin değişimi temas açısı ölçümü ile hesaplanmıştır. Çift katmanlı süngerler SEM, FTIR, gözeneklilik, mekanik özellikler, su buharı iletim hızı, şişme, bozunma, kümülatif ilaç salımı, kinetik salım modelleri ve antimikrobiyal aktivite analizleri yapılmıştır. İlaç yüklü HNT-Zein nanoliflerinin çapları 202,7±0,05–225,2±0,06 nm bulunmuştur. Yara örtülerinin su buharı geçirgenliği 2833,3 ile 2490 /m2gün arasındadır ve geçirgenlik değerleri yara iyileşmesi için uygun aralıkta bulunmuştur. Çift tabakalı pansumanlar 14 günün sonunda %78 kümülatif salım oranına ulaşılmıştır. Ayrıca gram negatif (E. Coli) ve gram pozitif bakterilere (S. Epidermidis) karşı antimikrobiyal aktivite tespit edilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen ilaç yüklü çift katmanlı yara örtüsü, yara pansumanları için potansiyel aday olarak bulunmuştur.