Development and validation of a conductive hydrogel as a wound healing accelerator.
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
Chronic and slow-healing wounds present a clinical challenge, as they are associated with persistent inflammatory processes, infections, and impaired tissue regeneration. In this context, hydrogels have become established as an innovative therapeutic strategy due to their ability to maintain a moist microenvironment and promote tissue regeneration. This research aimed to develop and evaluate a hydrogel composed of chitosan (CS), reduced graphene oxide (rGO), and Pluronic F127 (PF), with the hypothesis that the inclusion of rGO would improve the material's physicochemical properties and provide a suitable microenvironment to accelerate skin healing. The hydrogel was optimized using a factorial experimental design and characterized from a physicochemical perspective, confirming that the incorporation of rGO increased stiffness, polymer network stability, and electrical conductivity, while PF contributed to flexibility and thermal stability. In vitro assays demonstrated significant antibacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria, high cell viability in dermal fibroblasts, and stimulation of cell migration. In murine models, the tannin-loaded hydrogel (TA) promoted faster and more organized wound closure than controls, accompanied by an early transition from the inflammatory to the proliferative phase, greater deposition of type I and III collagen, sustained angiogenesis, and abundant granulation tissue. Molecular analyses (RT-qPCR and Western blot) showed a decrease in the expression of proinflammatory mediators (IL-6, IL-1β), an increase in anti-inflammatory cytokines (IL-10, IL-1rn), and macrophage polarization toward the M2 phenotype (Arg1), which favored the resolution of inflammation and tissue regeneration. In the porcine model, which more closely resembles human physiology, the developed hydrogel achieved complete wound closure in 21 days, with results comparable to a commercial dressing (Nexcare™), but with additional advantages in dermal tissue organization, skin appendage regeneration, and absence of fibrosis. In conclusion, the results confirm the hypothesis: the incorporation of rGO into chitosan-Pluronic F127 hydrogels confers physicochemical and biological properties that enhance skin healing, positioning the CS-rGO-PF hydrogel as a promising biomaterial for clinical applications in advanced wound treatment.
Las heridas crónicas y de difícil cicatrización representan un desafío clínico, ya que se asocian con procesos inflamatorios persistentes, infecciones y una regeneración tisular deficiente. En este contexto, los hidrogeles se han consolidado como una estrategia terapéutica innovadora por su capacidad para mantener un microambiente húmedo y favorecer la regeneración de tejidos. La presente investigación tuvo como objetivo desarrollar y evaluar un hidrogel compuesto por quitosano (CS), óxido de grafeno reducido (rGO) y Pluronic F127 (PF), con la hipótesis de que la inclusión de rGO mejoraría las propiedades fisicoquímicas del material y proporcionaría un microambiente adecuado para acelerar la cicatrización cutánea. El hidrogel fue optimizado mediante un diseño experimental factorial y caracterizado desde el punto de vista fisicoquímico, confirmando que la incorporación de rGO aumentó la rigidez, la estabilidad de la red polimérica y la conductividad eléctrica, mientras que el PF contribuyó a la flexibilidad y estabilidad térmica. Los ensayos in vitro evidenciaron actividad antibacteriana significativa frente a bacterias Gram positivas y Gram negativas, alta viabilidad celular en fibroblastos dérmicos y estimulación de la migración celular. En modelos murinos, el hidrogel cargado con Tanino (TA) promovió un cierre de heridas más rápido y organizado que los controles, acompañado de una transición temprana de la fase inflamatoria a la proliferativa, mayor deposición de colágeno tipo I y III, angiogénesis sostenida y abundante tejido de granulación. Los análisis moleculares (RT-qPCR y Western blot) mostraron una disminución en la expresión de mediadores proinflamatorios (IL-6, IL-1β), incremento de citocinas antiinflamatorias (IL-10, IL-1rn) y polarización de macrófagos hacia el fenotipo M2 (Arg1), lo que favoreció la resolución de la inflamación y la regeneración tisular. En el modelo porcino, más cercano a la fisiología humana, el hidrogel desarrollado logró un cierre completo de heridas en 21 días, con resultados comparables a un apósito comercial (Nexcare™), pero con ventajas adicionales en la organización del tejido dérmico, regeneración de anexos cutáneos y ausencia de fibrosis. En conclusión, los resultados confirman la hipótesis planteada: la incorporación de rGO en hidrogeles de quitosano-Pluronic F127 confiere propiedades químico-físicas y biológicas que potencian la cicatrización cutánea, posicionando al hidrogel CS-rGO-PF como un biomaterial prometedor para aplicaciones clínicas en el tratamiento avanzado de heridas.
Las heridas crónicas y de difícil cicatrización representan un desafío clínico, ya que se asocian con procesos inflamatorios persistentes, infecciones y una regeneración tisular deficiente. En este contexto, los hidrogeles se han consolidado como una estrategia terapéutica innovadora por su capacidad para mantener un microambiente húmedo y favorecer la regeneración de tejidos. La presente investigación tuvo como objetivo desarrollar y evaluar un hidrogel compuesto por quitosano (CS), óxido de grafeno reducido (rGO) y Pluronic F127 (PF), con la hipótesis de que la inclusión de rGO mejoraría las propiedades fisicoquímicas del material y proporcionaría un microambiente adecuado para acelerar la cicatrización cutánea. El hidrogel fue optimizado mediante un diseño experimental factorial y caracterizado desde el punto de vista fisicoquímico, confirmando que la incorporación de rGO aumentó la rigidez, la estabilidad de la red polimérica y la conductividad eléctrica, mientras que el PF contribuyó a la flexibilidad y estabilidad térmica. Los ensayos in vitro evidenciaron actividad antibacteriana significativa frente a bacterias Gram positivas y Gram negativas, alta viabilidad celular en fibroblastos dérmicos y estimulación de la migración celular. En modelos murinos, el hidrogel cargado con Tanino (TA) promovió un cierre de heridas más rápido y organizado que los controles, acompañado de una transición temprana de la fase inflamatoria a la proliferativa, mayor deposición de colágeno tipo I y III, angiogénesis sostenida y abundante tejido de granulación. Los análisis moleculares (RT-qPCR y Western blot) mostraron una disminución en la expresión de mediadores proinflamatorios (IL-6, IL-1β), incremento de citocinas antiinflamatorias (IL-10, IL-1rn) y polarización de macrófagos hacia el fenotipo M2 (Arg1), lo que favoreció la resolución de la inflamación y la regeneración tisular. En el modelo porcino, más cercano a la fisiología humana, el hidrogel desarrollado logró un cierre completo de heridas en 21 días, con resultados comparables a un apósito comercial (Nexcare™), pero con ventajas adicionales en la organización del tejido dérmico, regeneración de anexos cutáneos y ausencia de fibrosis. En conclusión, los resultados confirman la hipótesis planteada: la incorporación de rGO en hidrogeles de quitosano-Pluronic F127 confiere propiedades químico-físicas y biológicas que potencian la cicatrización cutánea, posicionando al hidrogel CS-rGO-PF como un biomaterial prometedor para aplicaciones clínicas en el tratamiento avanzado de heridas.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Doctor/a en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química.
Keywords
Healing, Hydrogels, Biomaterials (Biomedical materials)