Innovative nanofiber systems as antimicrobial wound dressings: The impact of biopolymers, liposomes and varying nanofiber complexities on chloramphenicol delivery

Abstract

Chronic wounds are a worldwide burden, affecting both patients and healthcare systems and therefore novel treatment options are needed. The development of novel wound dressings with an antimicrobial effect can help to address the problem of chronic wound healing and chronic wound infections. We propose the use of nanofibers, which are scaffolds with a fibrous structure fabricated via electrospinning from polymers and present a promising approach as platforms for antibiotic delivery. We aimed to use natural polymers with biological activity as material for nanofiber fabrication to manufacture a multifunctional dressing with properties that can aid the wound healing process. We chose the natural polymers beta-glucan, chitosan and pectin, which have the immunomodulating, antimicrobial and high swelling abilities, respectively. In this work, we developed chloramphenicol (CAM) containing nanofibers from the chosen natural polymers using electrospinning. To achieve a tailored delivery system of the chosen model antibiotic CAM, we incorporated CAM-loaded liposomes into the nanofibers. For fabrication of the nanofibers we used to different electrospinning methods, wire- and coaxial electrospinning, which utilized environmentally friendly solvents. We showed successful fabrication of nanofibers containing beta-glucan, chitosan together with co-polymers and CAM and successful electrospinning of CAM-loaded liposomes into pectin-nanofibers. Both nanofibers delivered CAM, maintained the antimicrobial activity of CAM against Escherichia coli and Staphylococcus aureus, and showed a high swelling index and anti-inflammatory activity in murine macrophages, all of which are desirable characteristics for a wound dressing. The addition of CAM-loaded liposomes resulted in a slower CAM release, one of the main aims in this work. We furthermore fabricated nanofibers containing all ingredients within one nanofiber by fabricating core-shell nanofibers. This dressing combined the advantages of the two single previous dressings: a high swelling index, antimicrobial properties and a slower CAM release, showing potential as antimicrobial wound dressing for delivery of antibiotics.

Kroniske sår er et stort problem som påvirker pasienter og helsevesener over hele verden, og skaper derfor et stort behov for nye behandlingsmetoder. Utvikling av nye sårbandasjer med en antimikrobiell effekt kan fremme sårtilheling og motvirke eller bekjempe infeksjoner i kroniske sår. Vi foreslår bruk av nanofiber, et nett med en fiberstruktur laget ved hjelp av fiberspinning av polymerer, som er lovende for spesifikk levering av antibiotika, som sårbandasje. Vi hadde som mål å bruke naturlige polymerer med biologiske aktiviteter som materialer for fremstilling av nanofiberne for å oppnå en multifunskjonell sårbandasje som kan forbedre sårhtilhelingsprosessen. Vi valgte de naturlige polymerene betaglukan, som øker immunforsvaret, kitosan, som er antimikrobielt, og pektin, som har en høy svellekapasitet og kan ta opp sårvæske. Under dette arbeidet utviklet vi nanofibre med kloramfenikol (CAM) ved bruk av de utvalgte polymerene og fiberspinning. For å oppnå et spesifikt leveringssystem av CAM, inkorporerte vi CAM-liposomer i nanofibrene. Under framstilling av nanofibre brukte vi to ulike metoder: tråd-fiberspinning og koaksial-fiberspinning sammen med miljøvennlige løsemidler. Vi framstilte nanofiber som innehold betaglukan og kitosan sammen med kopolymerer og CAM og i tillegg klarte vi å lage nanofiber med CAM-liposomer i pektin ved hjelp av fiberspinning. Begge nanofibrene fungerte som leveringssystemer for CAM, opprettholdt den antimikrobielle aktiviteten mot Escherichia coli og Staphylococcus aureus, viste en høy absorpsjonskapasitet av simulert sårvæske og en anti-inflammatorisk effekt. Alle disse er ønskelige egenskaper for en sårbandasje. Ved å tilsette CAM-liposomer til nanofibre klarte vi å oppnå en mer langsom frigjøring av CAM, et av hovedmålene i prosjektet. For å utnytte de gode egenskapene funnet i de tillagede leveringssystemene, produserte vi en formulering som inneholdt alle ingrediensene i en og samme nanofiber, som da hadde en kjerne-mantel struktur. Denne sårbandasjen kombinerte de ønskelige fordelene av de to enkelte sårbandasjene, nemlig høy svellingskapasitet, antimikrobielle egenskaper og en langsom CAM-frigjøring, noe som gjør disse nanofibrene lovende som antimikrobielle sårbandasjer for levering av antibiotika.