Échafaudages électrofilés chitosane-polyéthylène oxyde/fibrinogène pour libération soutenue de PDGF et cicatrisation améliorée des plaies

Résumé

La cicatrisation des plaies est un processus multifacette gouverné par les facteurs de croissance, la migration cellulaire et le remodelage de la matrice extracellulaire. Bien que les pansements bioactifs aient progressé, peu atteignent la pratique clinique en raison de défis de délivrance. Nous avons conçu un échafaudage nanofibreux composé de chitosane (CS), polyéthylène oxyde (PEO) et fibrinogène (Fb) utilisant une plateforme d'électrofilage à double filière. Le composite CS-PEO/Fb résultant affichait des fibres à l'échelle nanométrique, une distribution polymère uniforme et une intégrité mécanique favorable. L'incorporation du facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF) a été réalisée sans perte de bioactivité, et les études de libération ont révélé un profil biphasique délivrant 21,6 % de PDGF dans la première heure suivi d'une libération soutenue sur 48 h. Les essais de migration de fibroblastes in vitro ont confirmé que le PDGF libéré de l'échafaudage égalait l'efficacité d'une dose unique de 50 ng mL⁻¹, tandis que le composant Fb seul favorisait modestement la migration. Le taux de transfert de vapeur d'eau du composite (≈807 g m⁻² jour⁻¹) et la résistance à la traction (≈0,3 MPa) s'alignent avec les normes des pansements cliniques. Ensemble, ces données démontrent que les échafaudages électrofilés CS-PEO/Fb fournissent une plateforme robuste et bioactif pour la délivrance soutenue de facteurs de croissance et la cicatrisation accélérée des plaies.

Contexte

Malgré les avancées dans les soins des plaies, la translation des pansements bioactifs en clinique reste limitée. La cascade de cicatrisation repose sur une interplay coordonnée de cytokines, cellules immunitaires et protéines de matrice. Les facteurs de croissance, bien que puissants, souffrent d'une élimination rapide et d'une demi-vie courte, nécessitant des doses répétées lourdes pour les patients. Un pansement capable de délivrance soutenue et localisée améliorerait considérablement les résultats et l'adoption.

Le PDGF est un agent chimiotactique pivotal qui mobilise neutrophiles, monocytes et fibroblastes, et module le dépôt de matrice et la formation de cicatrices. Le gel Regranex® approuvé par la FDA (2,2 µg cm⁻²) accélère la cicatrisation de ~30 % dans les ulcères diabétiques, pourtant son application quotidienne est peu commode. Ainsi, un système à libération soutenue est souhaitable.

L'électrofilage offre une voie versatile pour produire des nattes nanofibreuses qui émulent la matrice extracellulaire native. Les polymères naturels tels que collagène, élastine et fibrinogène ont une bioactivité inhérente et une affinité pour les facteurs de croissance. Cependant, le fibrinogène seul manque de résistance mécanique requise pour des applications de pansement long terme. Le chitosane, un dérivé déacétylé de chitine, fournit une activité antimicrobienne et peut être électrofilé lorsqu'il est mélangé avec PEO. La nature polycationique du CS complique le mélange avec le Fb chargé négativement, mais une électrofileuse à double buse surmonte les incompatibilités électrostatiques, permettant la formation uniforme du composite.

Méthodes

Matériaux

Tous les réactifs (acide acétique, CS, PEO, Fb, HFIP, BSA, DMSO) et lignées cellulaires (fibroblastes dermiques humains PCS-201-012) étaient achetés chez Sigma-Aldrich ou ATCC et utilisés tels que reçus. Le PDGF-BB recombinant humain provenait de PeproTech.

Fabrication de l'échafaudage

Les solutions CS-PEO (5,5 % p/p, CS:PEO = 2:1) étaient préparées dans 1 % d'acide acétique avec 0,5 % BSA et 10 % DMSO. Le Fb était dissous dans un mélange 1:9 (v/v) HFIP/10× EMEM à 110 mg mL⁻¹. Le PDGF était ajouté immédiatement avant le filage. L'électrofilage à double filière (pompe seringue NE-1000, aiguilles 18-gauge) employait des débits de 0,7 mL h⁻¹ (CS-PEO) et 1,0 mL h⁻¹ (Fb), tensions de 28 kV et 22 kV, et une mandrin rotatif à 25 RPM à 22 cm (CS-PEO) et 12,5 cm (Fb). Le balayage était effectué pendant 3 h à 35–45 % HR.

Morphologie

L'imagerie MEB-FEG (Zeiss Sigma VP-40) d'échantillons métallisés or quantifiait les diamètres de fibres (n = 100 par échafaudage) via ImageJ. Les fibres CS-PEO/Fb avaient une moyenne de 202 ± 113 nm, plus fines que CS-PEO (270 ± 68 nm) et Fb (351 ± 102 nm) seuls.

Chimie de surface

Le ToF-SIMS (Bi₃²⁺, 30 kV) cartographiait les ions caractéristiques (CNO⁻, CN⁻, C₂H₅O⁺) sur des rasters 50 × 50 µm, confirmant la distribution uniforme de CS-PEO et Fb.

Angle de contact à l'eau

Mesuré selon ASTM D7334-08 avec 2 µL d'eau distillée. Le CS-PEO/Fb présentait un angle hydrophile de 61,4 ± 7,6°, intermédiaire entre CS-PEO (44,2 ± 5,1°) et Fb (115,7 ± 16,2°).

Essais mécaniques

Des tests de traction uniaxiale (Instron E3000, 1 mm min⁻¹) sur bandes 40 × 25 mm (épaisseur 94 ± 7 µm) produisaient des courbes contrainte-déformation. Le CS-PEO/Fb atteignait 0,31 ± 0,02 MPa contrainte de pointe, surpassant le Fb seul (0,12 ± 0,01 MPa).

Taux de transfert de vapeur d'eau

Le WVTR était déterminé selon ASTM E96 utilisant des désiccants gel de silice ; le CS-PEO/Fb atteignait 806,5 ± 56,1 g m⁻² jour⁻¹, dans la gamme cliniquement souhaitable (≈2 000 g m⁻² jour⁻¹).

Cytotoxicité

Des essais WST-1 indirects (ISO 10993-5) sur 120 h n'ont montré aucune inhibition significative de prolifération à 48 h, bien qu'un déclin modeste émergât à 72 h, probablement dû au degré d'acétylation du CS.

Attachement cellulaire

La coloration Live/Dead et phalloïdine-DAPI de fibroblastes sur surfaces d'échafaudage révélait une morphologie saine et un attachement robuste comparable aux contrôles fibronectine-enrobés.

Dégradation

Les échafaudages incubés en FBM (37 °C, 5 % CO₂) affichaient une perte de masse linéaire après un pic initial de 1 h, maintenant l'intégrité pendant ≥48 h.

Libération de PDGF

L'ELISA quantifiait la libération cumulative : 1,8 ± 0,7, 4,4 ± 1,8 et 11,4 ± 4,8 ng mg⁻¹ aux chargements 2, 4 et 8 µg mL⁻¹ respectivement. Un profil biphasique libérait 21,6 % dans la première heure.

Migration des fibroblastes

Les essais de migration ORIS™ démontraient que les éluats d'échafaudages chargés en PDGF égalait la migration induite par une dose unique de 50 ng mL⁻¹ PDGF, avec effets soutenus jusqu'à 48 h. Le Fb seul favorisait aussi modestement la migration.

Résultats et Discussion

L'électrofilage à double filière a fusionné avec succès CS-PEO et Fb en une matrice nanofibreuse homogène, surmontant les incompatibilités électrostatiques. La réduction du diamètre des fibres dans le composite est attribuée à une répulsion de jet accrue, prolongeant le temps de dépôt et induisant des instabilités de flexion produisant des fibres plus fines.

La cartographie ToF-SIMS a confirmé la composition de surface uniforme, et les angles de contact à l'eau indiquaient une surface hydrophile qui décourage l'adhésion bactérienne tout en supportant l'adsorption de protéines. Les essais mécaniques montraient que l'intégration CS-PEO restaure la résistance à la traction adaptée aux pansements, adressant la faiblesse inhérente du Fb.

Les mesures WVTR plaçaient CS-PEO/Fb dans la fenêtre thérapeutique pour environnements de plaies humides, équilibrant la gestion d'exsudat et la perméabilité à l'oxygène. Les essais de cytotoxicité suggéraient que tout HFIP résiduel ou concentrations élevées de DA CS étaient minimes ; le profil de sécurité biologique de l'échafaudage est acceptable pour la translation clinique.

Les profils de libération de PDGF présentaient un motif biphasique souhaitable : une rafale précoce délivrant ~21 % de la dose, suivie d'une libération contrôlée et linéaire soutenant des concentrations biologiquement pertinentes sur 48 h. Cette délivrance soutenue élimine le besoin de changements quotidiens de pansement requis par Regranex®, améliorant potentiellement l'observance du patient.

Les essais fonctionnels ont confirmé que le PDGF libéré conservait l'activité chimiotactique, atteignant une migration de fibroblastes équivalente à un traitement unique à haute dose. L'effet additif des propriétés chimiotactiques intrinsèques du Fb renforce encore le recrutement cellulaire, suggérant un mécanisme synergique.

Conclusion

Les échafaudages nanofibreux électrofilés CS-PEO/Fb combinent les avantages antimicrobiens et mécaniques du chitosane avec la bioactivité du fibrinogène, tout en permettant une délivrance soutenue et fonctionnelle de PDGF. Leur architecture nanoscopique, WVTR approprié et robustesse mécanique en font des candidats prometteurs pour les pansements de prochaine génération qui peuvent accélérer le recrutement des fibroblastes et la cicatrisation sans l'inconvénient d'applications répétées de facteurs de croissance.