Розробка ранових покриттів на основі природних полісахаридів та їх комплексів : дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії
Loading...
Date
2026
Authors
Сікач, Аліна
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі знань 10 "Природничі науки" за спеціальністю 102 "Хімія". – Національний університет "Києво-Могилянська академія", Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена розробці полісахаридних матриць з бажаними структурними та функціональними властивостями для формування сучасних ранових покриттів. Для цього вдосконалено методики формування, що забезпечують утворення ранових покриттів, які поєднують ефективне вологоутримування завдяки контролю набухання, поруватості, що потенційно забезпечує газообмін та сприяє пришвидшенню загоєння рани, стабільну структуру та здатні до контрольованої і рН-чутливої доставки активних фармацевтичних інгредієнтів (АФІ). Окрім того, досліджено можливість іммобілізації в сформовані матриці АФІ різної хімічної природи та їх комбінацій для вивчення впливу способу їх іммобілізації на вивільнення та терапевтичний ефект антибактеріальних ранових покриттів. У першому розділі дисертації проаналізовано сучасні наукові джерела та опрацьовано вимоги лікарів до ранових покриттів і підходи до їх формування. Систематизовано інформацію про властивості, переваги, недоліки, можливості до модифікування та використання природних полісахаридів, зокрема натрій альгінату, хітозану та натрій гіалуронату, а також комплексів на їх основі, для розробки сучасних ранових покриттів. Встановлено, що ключовими невирішеними питаннями залишаються контроль морфології, поруватості, регулювання гідрофільності та механізми іммобілізації АФІ, що стало підґрунтям для вибору напрямів експериментального дослідження та постановки наукових завдань. В другому розділі детально описано комплекс експериментальних методів та методик дослідження, використаних для досягнення поставленої мети. Зокрема, описано процес модифікування натрій альгінату октан-1-аміном та методи формування йонно зшитих плівок на основі альгінатів та поліелектролітних комплексів альгінат-хітозан та альгінат-хітозан-гіалуронат. Представлено оптимізовану методику йонного зшивання альгінатів за допомогою йонів Са2+ утворених in situ розкладанням мікрочастинок кальциту. Описано підходи до іммобілізації в розроблених полісахаридних матрицях модельних АФІ: ранозагоювального кальцій пантетонату та біоцидних етонію і ципрофлоксацину. Наведено методи та методики, використані для дослідження хімічної структури, морфології, поруватості, набухання, кінетики вивільнення та антибактеріальної активності, що забезпечило можливість здійснення комплексної оцінки взаємозв’язку між складом, структурою та функціональними властивостями досліджуваних речовин, плівок та ранових покриттів.
У третьому розділі представлено цілеспрямоване регулювання властивостей альгінатних плівок завдяки хімічній модифікації альгінату та варіюванню джерела йонів Ca2+, що забезпечують зшивання. Задля покращення здатності натрій альгінату до іммобілізації АФІ досліджено простий метод його часткової гідрофобізації октан-1-аміном. На основі результатів дослідження показано, що введення гідрофобного ланцюга забезпечує здатність синтезованого октан-1-аміду альгінової кислоти до міцелоутворення та розширює можливості іммобілізації гідрофобних та амфіфільних АФІ, що підтверджено на прикладі етонію. Розроблені плівки на основі кальцій альгінату та його похідних з іммобілізованим етонієм продемонстрували варіабельність профілів вивільнення залежно від складу матриці. Так, використання октан-1-аміду для формування альгінатних плівок забезпечило збільшення рН-чутливості та пролонгованості вивільнення етонію порівняно з матрицями на основі немодифікованого натрій альгінату. Для покращення поруватості йонно зшитих плівок на основі альгінатів розроблено та досліджено технологічно простий метод зшивання йонами Ca2+, що утворюються під час розкладання мікрочастинок кальциту, попередньо диспергованих в полісахаридній матриці. В такий спосіб, йони Ca2+ in situ зшивають полісахаридні ланцюги, а в місцях розкладання мікрочастинок утворюються макропори, що в поєднанні з мікропорами, наявність яких підтверджена за допомогою методу низькотемпературної сорбції-десорбції азоту, потенційно забезпечує газообмін та може прискорювати загоєння рани. Водночас, такий метод засвідчив варіабельність альгінатних плівок, зшитих Ca2+ як систем доставки ліків, де зміна способу введення йонів радикально впливає на профіль вивільнення іммобілізованого АФІ. На прикладі етонію встановлено, що гідрофобні та амфіфільні АФІ в присутності мікрочастинок кальциту здатні сорбуватися на його поверхні, що спричиняє концентрування АФІ в утворених під час зшивання макропорах. Такий механізм іммобілізації етонію забезпечив імпульсність та рН-нечутливість вивільнення, незалежно від хімічної природи полісахаридної матриці, що значно відрізняється від плівок, зшитих класичним способом та підтверджує можливість керування профілем вивільнення АФІ варіюванням складу та способу формування плівок. У четвертому розділі дисертації наведено результати розробки та вивчення властивостей поліелектролітних плівок на основі комплексу натрій альгінат- хітозан, а також їх модифікованої версії, наповненої натрій гіалуронатом. Віскозиметричним методом підтверджено можливість формування альгінат-хітозанових комплексів. Для формування плівок на основі цього поліелектролітного комплексу використано метод пригнічення йонних взаємодій, що полягає у створенні достатньо високої йонної сили розчину, що нівелює електростатичні взаємодії між полісахаридами та забезпечує формування гомогенної суміші, що може бути використана для одержання плівок методом лиття полімерних розчинів. На основі порівняння здатності одержаних плівок до набухання встановлено, що масове співвідношення полісахаридів 1:1 є оптимальним для одержання найбільш стабільних структур, що характеризуються рН-чутливим набуханням. В процесі вивчення сформованих альгінат-хітозанових та альгінат-хітозан-гіалуронатних плівок методами сканувальної електронної мікроскопії (СЕМ), атомно-силової мікроскопії (АСМ) та сорбції-десорбції азоту встановлено, що KBr в процесі формування виступає не лише агентом, що створює йонну силу розчину, а й пороутворювачем, що розширює можливості створення та варіювання параметрів поруватої структури. Наповнення плівок натрій гіалуронатом забезпечило збільшення розвиненості поруватої структури та зменшення шорсткості поверхні згідно з результатами дослідження плівок методами СЕМ та АСМ. Водночас, обидва типи поліелектролітних комплексів після вимивання KBr під час дослідження набухання та динамічної сорбції-десорбції водяної пари за 37 ºС підтвердили здатність зберігати структурну стабільність, що робить їх перспективними кандидатами для ранових покриттів, що можуть забезпечити механічний захист рани від зовнішніх забруднень та бактеріальної контамінації без створення оклюзійного ефекту. У п’ятому розділі дисертації продемонстровано можливості сформованих поліелектролітних матриць до іммобілізації модельних ранозагоювальних та антибактеріальних препаратів за допомогою стратегій співосадження АФІ під час формування комплексів та сорбції на вже сформованих плівках. За результатами вивчення морфології отриманих покриттів встановлено, що хімічна природа АФІ та спосіб іммобілізації значно впливають на мікроструктуру. Зокрема, плівки з сорбційно іммобілізованими АФІ продемонстрували значно більш розвинену поверхню, що було підтверджено методами СЕМ та АСМ. Вивчення та моделювання профілів вивільнення АФІ за фізіологічних умов засвідчило вплив хімічної природи АФІ та способу іммобілізації на кінетику вивільнення та рН-чутливість. Кальцій пантетонат та ципрофлоксацин як речовини що містять карбоксильні групи у своєму складі, хімічно зв’язуються з хітозаном, що спричиняє рН-чутливість вивільнення цих препаратів. Натомість, етоній як четвертинна амонієва сіль, здатний до взаємодії з альгінатом, однак, утворені зв’язки є нестабільними та набагато менше впливають на профіль та рН-чутливість вивільнення порівняно з пантетонатом та ципрофлоксацином. Результати дослідження також засвідчили, що використання натрій гіалуронату як наповнювача поліелектролітної альгінат-хітозанової матриці зменшує кількість зв’язків аніонний АФІ-хітозан, сприяючи більш швидкому вивільненню, при цьому майже не впливаючи на іммобілізацію та вивільнення етонію. Для підтвердження перспектив застосування розроблених систем як ранових покриттів здійснено дослідження антибактеріальної активності плівок з іммобілізованими етонієм, ципрофлоксацином та їх комбінацією з різною концентрацією відносно двох штамів E. coli. Найбільш виражений антибактеріальний ефект продемонстрували зразки з іммобілізованим ципрофлоксацином, а комбінування його з етонієм дозволило отримати аналогічний рівень антибактеріальної активності плівок незважаючи на двократне зменшення вмісту ципрофлоксацину, що було підтверджено на різних штамах E. сoli, включно з антибіотикорезистентними. В такий спосіб було підтверджено, що комбінування етонію з ципрофлоксацином відкриває перспективи раціонального зниження дозування антибіотиків без втрати ефективності терапевтичної дії ранових покриттів.
Description
Thesis to obtain the scientific degree of Doctor of Philosophy in the Field of Study 10 "Natural Sciences," Programme Subject Area 102 "Chemistry." – National University of Kyiv-Mohyla Academy, Kyiv, 2026. The thesis is devoted to the development of polysaccharide matrices with desired structural and functional properties for the formation of modern wound dressings. For this purpose, the formation methods were investigated and improved, ensuring the formation of wound dressings that combine effective moisture retention by controlling swelling, porosity, which potentially provide gas exchange and promotes accelerated wound healing, a stable structure, and capability of controlled and pH-sensitive drug delivery. In addition, the possibility of various chemical structures active pharmaceutical ingredients (APIs) and their combinations immobilization into the formed matrices was investigated in order to evaluate the influence of the method of their immobilization on the release and therapeutic effect of antibacterial wound dressings. In the first section of the thesis, recent scientific sources are analysed and the current requirements for wound dressings and approaches to their formation are evaluated. It has been systematized information on the properties, advantages, disadvantages, possibilities for modification, and applications of natural polysaccharides, particularly sodium alginate, chitosan, and sodium hyaluronate, as well as complexes based on them, for the development of modern wound dressings. It has been established that the key unresolved issues remain the control of morphology, porosity, regulation of hydrophilicity, and mechanisms of APIs immobilization, which became the basis for choosing the directions of experimental research and setting scientific tasks. The second section provides a detailed description of the complex of experimental methods and research techniques employed to achieve the set goal and fulfil the tasks. In particular, the process of sodium alginate modification with octan-1-amine, and methods of ion-crosslinked films formation based on alginates and polyelectrolyte alginate-chitosan and alginate-chitosan-hyaluronate complexes are described. A modified method of ionic crosslinking of alginates using Ca2+ ions formed in situ by the decomposition of calcite microparticles is presented. The approaches to model APIs immobilization in the developed polysaccharide matrices are described, including wound healing calcium pantothenate, and antibacterial ethonium and ciprofloxacin. Methods and techniques used to evaluate the chemical structure, morphology, porosity, swelling, release kinetics, and antibacterial activity are presented, which provided the possibility of a comprehensive assessment of the relationship between the composition, structure, and functional properties of the studied substances, films, and wound dressings. The third section demonstrates the possibility of targeted regulation of the properties of alginate films by chemical modification of alginate and variation of the ionic crosslinking method. In order to improve the ability of sodium alginate to immobilize APIs, a simple method of its partial hydrophobization with octan-1-amine is proposed. Based on the results of the study, it is shown that the introduction of a hydrophobic chain ensures the ability of the synthesized octan-1-amide of alginic acid to form micelles and expands the possibilities for the immobilization of hydrophobic and amphiphilic substances, which is confirmed by the example of ethonium. The developed films based on calcium alginate and its derivatives with successfully immobilized ethonium demonstrated the variability of release profiles depending on the matrix composition. Thus, the use of octan-1-amide for the formation of alginate films provided an increase in pH sensitivity and prolonged release of ethonium compared to matrices based on pristine sodium alginate. To improve the porosity of ionically crosslinked films, based on alginates, a technologically simple method of crosslinking with Ca2+ ions formed during the decomposition of previously dispersed calcite microparticles in a polysaccharide matrix was developed and investigated. Thus, Ca2+ ions in situ crosslink polysaccharide chains, and macropores are formed at the sites of microparticles decomposition, which, in combination with micropores, the presence of which was confirmed by the low-temperature nitrogen sorption-desorption method, potentially provide gas exchange and can accelerate wound healing. At the same time, this method demonstrated the variability of alginate films crosslinked with Ca2+ as drug delivery systems, where changing the method of ion introduction significantly affects the release profile of the immobilized APIs. Based on the example of ethonium, it was found that hydrophobic and amphiphilic APIs in the presence of calcite microparticles are able to be adsorbed on its surface, which causes further concentrationof APIs in the macropores formed during crosslinking. This mechanism of ethonium immobilization ensures impulsive and pH-insensitive release behaviour, regardless of the chemical nature of the polysaccharide matrix, which is significantly different from films crosslinked by the classical method and confirms the possibility of controlling the APIs release by varying the composition and method of film formation. The fourth section of the thesis presents the results of the development and study of the properties of polyelectrolyte films based on the sodium alginate-chitosan complex, as well as their modified version filled with sodium hyaluronate. The viscosimetric method confirmed the possibility of alginate-chitosan complexes formation. To form films based on this polyelectrolyte complex, the method of ionic interactions suppressing was used, which consists in creating a sufficiently high ionic strength of the solution, thereby eliminating electrostatic interactions between polysaccharides and ensures the formation of a homogeneous mixture that can be used to obtain films by casting polymer solutions. Based on a comparison of the swelling abilities of the obtained films, it was established that the mass ratio of polysaccharides 1:1 is optimal for obtaining the most stable structures characterized by pH-sensitive swelling. In the process of studying the formed alginate-chitosan and alginate-chitosan-hyaluronate films by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), and nitrogen sorption-desorption methods, it was established that KBr in the formation process acts as the ionic strength of the solution and pore formation agent, which opens up wide opportunities for creating and varying the parameters of the porous structure. Loading the films with sodium hyaluronate provided an increase in the development of the porous structure and a decrease in surface roughness according to the results of studying the films by SEM and AFM methods. At the same time, both types of polyelectrolyte complexes after KBr leaching during the study of swelling and dynamic sorption-desorption of water vapor at 37 ºС confirmed the ability to maintain structural stability, which makes them promising candidates for wound dressings that can provide mechanical protection of the wound from external contaminants without creating an occlusive effect. The fifth section of the thesis demonstrates the ability of the formed polyelectrolyte matrices to immobilize model wound healing and antibacterial drugs using strategies of APIs co-precipitation and post-sorption on the already formed films. According to the obtained coatings morphology studying results, it was found that the chemical nature of the API and the method of immobilization significantly affect the microstructure. In particular, films with sorption-loaded APIs demonstrated a significantly more developed surface, which was confirmed by SEM and AFM methods. The study and modelling of APIs release profiles under physiological conditions demonstrated the influence of the chemical nature of the API and the immobilization method on the release kinetics and pH-sensitivity. Calcium pantothenate and ciprofloxacin, as substances containing carboxyl groups in their composition, chemically bind to chitosan, which causes pH-sensitivity of the release of these drugs. In contrast, ethonium, as a quaternary ammonium salt, is capable of interacting with alginate; however, the formed bonds are unstable and have much less effect on the release profile and pH-sensitivity compared to pantothenate and ciprofloxacin. The results of the study also demonstrated that the use of sodium hyaluronate as a filler in the polyelectrolyte alginate-chitosan matrix reduces the amount of anionic API-chitosan bonds, contributing to faster release, while having almost no effect on the immobilization and release of ethonium. To confirm the prospects for the application of the developed systems as wound dressings, the antibacterial activity of films with immobilized ethonium, ciprofloxacin, and their combination with different concentrations against two strains of E. coli was studied. The most pronounced antibacterial effect was demonstrated by films with ciprofloxacin, and its combination with ethonium allowed to obtain a similar level of antibacterial activity of the films despite a twofold decrease in the ciprofloxacin content, which was confirmed on various strains of E. coli, including antibiotic-resistant ones. Thus, it was confirmed that the combination of ethonium with ciprofloxacin opens up prospects for a rational reduction in the dosage of antibiotics without losing the effectiveness of the therapeutic effect of wound developed dressings.
Keywords
ранові покриття, полісахариди, поліелектролітні комплекси, модифікування, набухання, поруватість, сорбція, доставка лікарських засобів, вивільнення лікарських засобів, рН-чутливість, гідрогель, антибактеріальна активність, морфологія, ІЧ спектроскопія, диференційна сканувальна калориметрія, дисертація, wound dressings, polysaccharides, polyelectrolyte complexes, modification, swelling, porosity, sorption, drug delivery, drug release, pH-sensitivity, hydrogel, antibacterial activity, morphology, IR spectroscopy, differential scanning calorimetry
Citation
Сікач А. В. Розробка ранових покриттів на основі природних полісахаридів та їх комплексів : дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії / Сікач Аліна Вячеславівна ; наук. кер. Коновалова Вікторія Валеріївна ; Національний університет "Києво-Могилянська академія", Міністерство освіти і науки України. - Київ : [б. в.], 2026. - 195 с. : іл., схеми, табл., діагр. - Містить додатки.