Un parche de hidrogel de color estructural inteligente que integra el diagnóstico y el tratamiento para el tratamiento de la osteomielitis crónica

Resumen

Este estudio presenta un parche de hidrogel de color estructural inteligente (GPC) para el diagnóstico y tratamiento de la osteomielitis crónica (COM). El parche integra un hidrogel GelMA sensible a la temperatura, un andamio CSMA-PBA sensible al pH y ácido salicílico para la liberación controlada de fármacos, el control de infecciones y la promoción de la regeneración de tejidos.

Resumen

La osteomielitis crónica (COM) es una infección ósea persistente que es difícil de tratar con antibióticos convencionales debido a problemas como la resistencia a los medicamentos y los efectos secundarios adversos. Para abordar este desafío, hemos desarrollado un novedoso parche de hidrogel de color estructural inteligente (CPG) tanto para el diagnóstico como para el tratamiento de COM. El parche combina quitosano metilacrilado modificado con ácido fenilbórónico (CSMA-PBA) como andamio, hidrogel GelMA sensible a la temperatura como relleno y ácido salicílico (SA) para la administración de fármacos. La caracterización mostró excelentes propiedades mecánicas y fuerza adhesiva. Los experimentos de liberación de fármacos confirmaron que la GPC responde eficazmente a los cambios de pH, lo que permite la liberación controlada de fármacos. La GPC también sirve como herramienta de diagnóstico al detectar cambios de pH y temperatura en el sitio de la infección, lo que ayuda en la recuperación postoperatoria. Las pruebas antimicrobianas mostraron una inhibición significativa del crecimiento bacteriano, y los experimentos in vitro demostraron la capacidad de la GPC para promover la expresión del factor de crecimiento endotelial vascular al tiempo que reducía los marcadores inflamatorios. El estudio destaca las capacidades multifuncionales del parche de hidrogel, incluidos los efectos antimicrobianos, antiinflamatorios y provasculares, lo que lo posiciona como una opción terapéutica prometedora para la osteomielitis crónica.

Introducción

La osteomielitis crónica se ha convertido en una preocupación importante para los pacientes debido a su proceso de tratamiento desafiante y prolongado, alto riesgo de fracaso del tratamiento y recurrencia¹. Las estrategias de tratamiento actuales para la osteomielitis incluyen el desbridamiento quirúrgico del tejido necrótico y los antibióticos parenterales. Sin embargo, la necesidad de altas dosis de antibióticos para proporcionar niveles terapéuticos en el sitio de acción sigue siendo ineficaz en el tratamiento de la enfermedad. Además, el uso de antibióticos en dosis altas se asocia con complicaciones adversas como nefrotoxicidad, ototoxicidad, resistencia a los antibióticos y efectos secundarios gastrointestinales. La administración local de antibióticos puede ser una estrategia más apropiada para superar estos inconvenientes. Si bien la administración local de antibióticos puede tratar las infecciones óseas con efectos secundarios mínimos, inducir la regeneración ósea es crucial para un tratamiento exitoso². Por lo tanto, la administración simultánea de antibióticos y factores de crecimiento óseo parece ser una estrategia de tratamiento prometedora. En las últimas décadas, el polimetilmetacrilato no biodegradable (PMMA) ha sido el pilar de la terapia antibiótica local en la osteomielitis. Sin embargo, el uso de PMMA como sistema local de administración de antibióticos enfrenta limitaciones como la necesidad de una segunda cirugía para la eliminación de perlas, la formación de biopelículas bacterianas que favorecen la colonización de la superficie, la liberación de antibióticos a largo plazo a niveles subterapéuticos que conducen a la resistencia a los antibióticos, la toxicidad sistémica de los monómeros residuales y la falta de propiedades inductivas óseas³. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de administración local biodegradables utilizando polímeros biocompatibles puede superar estos inconvenientes. La literatura sugiere que las nanopartículas de fibroína de seda (SFNP) incorporadas en un andamio de seda para la administración local de vancomicina se pueden usar para tratar la osteomielitis grave. Sin embargo, la ausencia de moléculas bioactivas inductivas óseas en el material nanocompuesto dio como resultado que las construcciones preparadas no indujeran significativamente la regeneración ósea. Por lo tanto, el diseño de materiales de andamios nanocompuestos adecuados para el tratamiento de la osteomielitis crónica ha sido un tema de preocupación desafiante. Los hidrogeles naturales a base de polímeros han recibido una amplia atención debido a su similitud estructural con la matriz extracelular (MEC) y su capacidad para controlar la liberación de fármacos⁴.

Una característica destacada de los hidrogeles es su capacidad de respuesta a diferentes factores como la temperatura y el pH. Las infecciones crónicas pueden aumentar el pH debido a la carga microbiana, la desregulación del equilibrio regeneración-degradación y el aumento de las reacciones metabólicas de descomposición. Además, la escisión quirúrgica de material desbridado, como tejido necrótico y pus, puede acelerar la transición del pH a valores más altos⁵. Por lo tanto, el uso de hidrogeles sensibles al pH capaces de detectar el pH de la infección crónica es crucial para el pronóstico de la osteomielitis crónica.

En este estudio, proponemos un enfoque integrado de diagnóstico y tratamiento utilizando un parche de hidrogel de color estructural inteligente, que posee las características necesarias para tratar la osteomielitis crónica como se ilustra en la Figura 1. Los hidrogeles supramoleculares derivados del ensamblaje de redes de polímeros supramoleculares son materiales atractivos similares a la matriz extracelular natural (ECM). Debido a sus excelentes propiedades, incluida la resistencia mecánica adecuada, la autocuración, las propiedades antibacterianas y antiinflamatorias, los hidrogeles supramoleculares han encontrado muchas aplicaciones en el campo biomédico⁶. Por el contrario, el color estructural, como un tipo de color producido por interacciones únicas de la luz con nanoestructuras periódicas intrínsecas, ha atraído una gran atención en campos como pantallas ópticas, etiquetas antifalsificación y dispositivos electrónicos portátiles. En particular, cuando los materiales de color estructural se construyen a partir de polímeros sensibles, su color puede ajustarse mediante diferentes estímulos a través de la expansión o contracción de estos polímeros, lo que sugiere el potencial de estos materiales como sensores. Por lo tanto, se puede prever que la combinación de hidrogeles supramoleculares con colores estructurales proporcionará una estrategia única para construir nuevos parches de hidrogel para el tratamiento de la osteomielitis crónica ^7,8,9.

En este documento, desarrollamos un enfoque integrado de diagnóstico y tratamiento utilizando un parche de hidrogel de color estructural inteligente (CPG) compuesto de quitosano metilacrilato modificado mixto con ácido fenilborónico (CSMA-PBA) como andamio de cálculos antiproteicos, hidrogel GelMA sensible a la temperatura como relleno y cargado con ácido salicílico (SA)¹⁰. Debido a la reversibilidad de los enlaces de hidrógeno y las interacciones no covalentes dentro de la red, el parche de hidrogel resultante no solo exhibió excelentes propiedades mecánicas, sino que también poseía capacidades de autocuración. Además, debido a la presencia de CSMA, este parche de hidrogel también exhibió una potente bioactividad antibacteriana. Además, utilizando la capacidad de respuesta térmica del polímero GelMA, el parche de hidrogel podría liberar sustancias activas cuando se coloca en el sitio de inflamación a una temperatura relativamente más alta. Simultáneamente, debido a la presencia de enlaces éster de boronato en CSMA-PBA, el hidrogel respondió a cambios en el pH ambiental¹¹. Con base en estas ventajas, demostramos que el parche de hidrogel supramolecular de color estructural propuesto podría tratar la osteomielitis crónica al regular a la baja la expresión de factores inflamatorios, la actividad antibacteriana y promover la angiogénesis. En particular, beneficiándose de las propiedades ópticas únicas del andamio de cálculos antiproteicos, el parche de hidrogel podría incluso exhibir la capacidad de cambiar de color en respuesta a los estímulos de temperatura, demostrando un potencial significativo en el monitoreo y manejo de la osteomielitis crónica y la guía del tratamiento clínico.

Protocolo

Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Ética Médica y se realizaron siguiendo las pautas para el cuidado y uso de animales de laboratorio (publicación NIH No. 80-23, revisada en 1978). En los experimentos se utilizaron ratas Sprague-Dawley macho (8 semanas de edad).

Preparación de plantillas de cristal coloidal de sílice (SCC)
Los CCE se prepararon como se describió anteriormente 12,13,14. Los portaobjetos de vidrio limpios y tratados con plasma se sumergieron en una solución al 5% de nanopartículas de sílice monodispersas (12 nm de diámetro) dispersas en agua desionizada. La solución se agitó continuamente a temperatura ambiente (25 °C) durante 1 h para garantizar la dispersión uniforme de las nanopartículas de sílice. Los portaobjetos se retiraron de la solución y se secaron al aire durante 1 h a temperatura ambiente. El proceso de secado fue fundamental para garantizar la adherencia adecuada de las nanopartículas a la superficie de los portaobjetos de vidrio. Después del secado al aire, los portaobjetos se colocaron en un horno ventilado a 60 °C durante 2 días para evaporar cualquier solvente restante y facilitar la formación de cristales coloidales. Durante esta evaporación, los portaobjetos se colocaron en un ángulo de 45° para promover la formación de matrices de cristales coloidales ordenados. Las matrices de cristales coloidales ordenadas se caracterizaron por el autoensamblaje y exhibieron diferentes colores estructurales según el espaciado entre partículas. Estas matrices se utilizaron como plantillas para la posterior fabricación de parches de hidrogel.

Preparación de parches de hidrogel de color estructural inteligente (CPG) de diagnóstico y tratamiento integrados
Los andamios de piedra antiproteica se replicaron a partir de los vacíos de las plantillas de cristal coloidal de sílice (SCC). Los portaobjetos de vidrio limpios se sumergieron primero en una solución al 5% de nanopartículas de sílice monodispersas (12 nm de diámetro) en agua desionizada, y la solución se agitó a temperatura ambiente (25 °C) durante 1 h para garantizar una dispersión uniforme de las nanopartículas en la superficie. El proceso de agitación fue crucial para evitar la formación de agregados y garantizar una distribución homogénea de las nanopartículas. Después de la inmersión, los portaobjetos se secaron al aire durante 1 h a temperatura ambiente (RT), seguido de un secado en horno a 60 °C durante 2 días para facilitar la evaporación del disolvente y promover el autoensamblaje de las nanopartículas de sílice en matrices de cristales coloidales bien ordenadas. Durante la evaporación, los portaobjetos se colocaron en un ángulo de 45° para facilitar la alineación de las nanopartículas, promoviendo la formación de una matriz periódica con distancias controladas entre partículas. Esta matriz ordenada exhibió color estructural, un rasgo característico de los cristales coloidales, y sirvió como plantilla para la estructura de hidrogel posterior.

A continuación, los CCE preparados se empaparon en la solución de pregel de GPC, que consistía en GelMA a una concentración del 10% p/v disuelta en solución salina tamponada con fosfato (PBS). Las muestras se dejaron durante 5 min a temperatura ambiente (RT) para garantizar una infiltración completa del GelMA en los huecos entre las nanopartículas de sílice, asegurando una distribución uniforme dentro de la estructura de la plantilla. Este paso fue fundamental para garantizar que la matriz de hidrogel se incorporara uniformemente a la plantilla y que la estructura final del hidrogel replicara la disposición ordenada de nanopartículas de los SCC. Después del remojo, la solución de pregel se polimerizó bajo luz ultravioleta (365 nm) a una intensidad de 3 mW / cm² durante 5 min. Esta exposición a los rayos UV inició la reticulación de GelMA, solidificando la matriz de hidrogel. El tiempo y la intensidad de la exposición se optimizaron cuidadosamente para lograr una reticulación suficiente sin sobreexponer el hidrogel, lo que podría provocar una gelificación excesiva o la pérdida de la estructura de la plantilla.

Caracterización de la GPC
La morfología transversal del hidrogel se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) con un voltaje de aceleración de 5 kV después de recubrir las muestras (1 mm x 1 mm) con oro¹⁵. Esto nos permitió visualizar la estructura nanoporosa y confirmar la uniformidad de la red de hidrogel. El comportamiento de hinchamiento se evaluó sumergiendo muestras de hidrogel de 10 mg en 10 mL de PBS en diferentes intervalos de tiempo (0, 30, 60, 120 y 180 min). El porcentaje de hinchazón se calculó midiendo el aumento en el volumen de hidrogel a lo largo del tiempo, lo que proporcionó información sobre la capacidad del hidrogel para absorber agua en diferentes condiciones. El análisis reológico se realizó utilizando un reómetro con una deformación del 1%, aplicando frecuencias angulares que oscilaban entre 1 rad/s y 100 rad/s para medir el módulo de almacenamiento (G') y el módulo de pérdida (G''). Este paso fue esencial para comprender las propiedades mecánicas del hidrogel, incluido su comportamiento viscoelástico bajo tensión. Las propiedades adhesivas de cizallamiento se evaluaron con una máquina de ensayo de tracción universal (Instron) según la norma ASTM F2255-05 (2015) a una velocidad de 10 mm/min y una precarga de 0,01 N para evaluar la capacidad del hidrogel para adherirse a los tejidos biológicos. La liberación del fármaco se evaluó utilizando un espectrofotómetro UV mediante el monitoreo de la absorbancia a λ = 280 nm después de sumergir el hidrogel en 5 ml de PBS (pH 7,4). La liberación se cuantificó utilizando una curva estándar de concentraciones de ácido salicílico para confirmar las capacidades de liberación controlada del hidrogel CPG. Finalmente, los hidrogeles se sumergieron en soluciones tampón de pH 4,5 y 7,2 durante 30 min para evaluar la capacidad de respuesta del pH, observando cambios en el volumen y la apariencia en diferentes condiciones de pH¹⁶.

Capacidad de respuesta a la temperatura y al pH de los parches de GPC
Los parches de GPC (aproximadamente 2 mm de diámetro) se colocaron en una solución tampón de 5 ml con pH 7,2 y se mantuvieron a 37 °C utilizando un baño de agua con temperatura controlada durante 30 min para imitar las condiciones fisiológicas. Los espectros de reflectancia se midieron utilizando un espectrofotómetro UV-Vis en longitudes de onda que oscilan entre 400 nm y 800 nm. Después de las mediciones iniciales, los parches se transfirieron a soluciones tampón con diferentes valores de pH (p. ej., pH 4,5, 7,2 y 9,0) y se mantuvieron a 37 °C durante 30 min. La respuesta al microambiente, incluido cualquier cambio de color, se observó visualmente y los espectros de reflectancia se registraron nuevamente para analizar el cambio de color. Esta capacidad de respuesta a la temperatura y al pH proporciona información valiosa sobre cómo reacciona el hidrogel a los cambios en el entorno de la herida.

Pruebas antibacterianas in vitro
Las pruebas antibacterianas se realizaron utilizando procedimientos estándar. Se utilizaron cepas de Staphylococcus aureus (S. aureus, ATCC 25923) y Escherichia coli (E. coli, ATCC 53868) para evaluar la actividad antibacteriana de los parches de GPC. Estas cepas de referencia estándar se compraron de la American Type Culture Collection (ATCC) y se utilizaron como cepas de control de calidad (QC) para validar los procedimientos de prueba antimicrobiana. Las pruebas de susceptibilidad antimicrobiana se realizaron utilizando el método de microdilución en caldo de acuerdo con las pautas CLSI M100. Las suspensiones bacterianas se prepararon en caldo Mueller-Hinton, un medio estándar para pruebas antimicrobianas. La turbidez se ajustó a un estándar de 0,5 McFarland, equivalente a aproximadamente 1,5 × 10⁸ UFC/ml. A continuación, las suspensiones se inocularon con parches de GPC (2 mm de diámetro), preparados con agua desionizada o tampón de pH 6,0 2-(N-morfolino)ácido etanosulfónico (MES) (10 mM). Los parches se agregaron a las suspensiones bacterianas en una proporción de un parche por 1 mL de cultivo. Las suspensiones se incubaron a 37 °C durante 24 h. Después de la incubación, el crecimiento bacteriano se evaluó mediante diluciones seriadas de siembra de los cultivos en agar nutriente, y las unidades formadoras de colonias (UFC) se contaron después de una incubación de 24 h a 37 °C. Este procedimiento proporcionó una medida cuantitativa de la eficacia antibacteriana.

Evaluación de biocompatibilidad
Los experimentos se llevaron a cabo como se describió anteriormente. Los parches de GPC se procesaron mediante diálisis en PBS (pH 7,4) durante 4 h, seguido de esterilización con etanol (70%) durante 10 min y desinfección UV (365 nm) durante 30 min para garantizar la eliminación de todos los contaminantes biológicos. Las células L929 (ATCC CCL-1) se cultivaron en medio DMEM suplementado con 10% de suero fetal bovino (FBS) y 1% de penicilina-estreptomicina a 37 °C con 5% de CO² para mantener la viabilidad celular. Las células se sembraron en placas de 24 pocillos a 2 ×^{10 5} células/mL, con o sin parches de GPC (2 mm de diámetro), por triplicado. Las células se dividieron en tres grupos experimentales: control en blanco, grupo de GPC y grupo de GPC (MES). Después de 24 h, la viabilidad celular se evaluó mediante el ensayo MTT, un método ampliamente aceptado para evaluar la actividad metabólica celular. Para el ensayo MTT, se agregaron 20 μL de MTT (5 mg/mL) a cada pocillo, seguido de incubación a 37 °C durante 4 h. Después de la incubación, se retiró el medio y se agregaron 150 μL de DMSO para disolver los cristales de formazán formados por las células vivas. La absorbancia se midió a 570 nm utilizando un lector de microplacas para cuantificar el número de células viables. Este enfoque garantizó la evaluación fiable de la citotoxicidad y la biocompatibilidad de los parches de hidrogel.

Actividad antiinflamatoria
La actividad antioxidante de la GPC se evaluó mediante un kit de ensayo ROS. Las células L929 (ATCC CCL-1) se cultivaron en medio DMEM suplementado con suero bovino fetal al 10% (FBS) y se incubaron a 37 °C con 5% de CO₂ durante 24 h para permitir la unión celular y la proliferación inicial. Para inducir estrés oxidativo, las células se trataron con 3 μg/mL de peróxido de hidrógeno (H2O2) durante 12 h. Después de la inducción del estrés oxidativo, se agregó a las células extracto de hidrogel (preparado disolviendo 1 mg de hidrogel CPG en 1 ml de medio DMEM). Las células se incubaron durante otras 12 h para permitir los posibles efectos antioxidantes del hidrogel CPG. Posteriormente, las células se tiñeron con una solución de DCFH-DA de 10 μM (diluida en medio DMEM) y se incubaron a 37 °C durante 20 min. DCFH-DA es una sonda fluorescente utilizada para detectar especies reactivas de oxígeno (ROS) dentro de las células. Después de la tinción, las células se lavaron con PBS y las imágenes de fluorescencia se capturaron con un microscopio de fluorescencia a una longitud de onda de excitación de 485 nm y una longitud de onda de emisión de 530 nm. La intensidad de la fluorescencia verde se correlacionó inversamente con la actividad antioxidante del hidrogel, proporcionando una evaluación visual de la capacidad del hidrogel para mitigar el estrés oxidativo en las células.

Modelo animal de osteomielitis de rata
Se estableció un modelo de osteomielitis crónica: ratas Sprague-Dawley macho (8 semanas de edad) fueron anestesiadas con isoflurano (2-3% en oxígeno) para garantizar que permanecieran inmóviles y sin dolor durante la cirugía. Se realizó una incisión de 2 cm en la cara lateral del fémur izquierdo y se utilizó una aguja estéril de 27-G para inyectar 1 10⁷ UFC de S. aureus directamente en la región trabecular del fémur. La inyección se realizó en la cavidad de la médula ósea del fémur para inducir una infección en el espacio de la médula, el sitio principal de osteomielitis. Las bacterias se administraron lentamente para garantizar una deposición adecuada dentro de la médula ósea. Después de 10 días, las ratas fueron sacrificadas mediante inhalación de_CO2 y los fémures infectados fueron diseccionados cuidadosamente. El tejido de granulación se extirpó del sitio de la infección y se sumergió inmediatamente en paraformaldehído al 4% durante 24 h para preservar la integridad del tejido. Después de la fijación, el tejido óseo se descalcificó utilizando un agente descalcificante (p. ej., EDTA) durante 48-72 h, dependiendo del tamaño del hueso, para permitir un corte adecuado para el análisis histológico e inmunohistoquímico. Las muestras óseas descalcificadas se procesaron para el examen histológico, la inmunohistoquímica (IHC) y la tinción de inmunofluorescencia. Para el análisis cuantitativo de PCR en tiempo real (qPCR), el tejido de granulación se almacenó a -80 °C para su posterior extracción de ARN, lo que permitió el análisis de los perfiles de expresión génica relacionados con la inflamación, la regeneración ósea y las respuestas inmunitarias

Evaluación del tratamiento de la osteomielitis in vivo
El tejido de granulación se incrustó en parafina y se seccionó a 5 μm utilizando un micrótomo. Las secciones se tiñeron con tinción tricrómica de Masson (15 min con hematoxilina, 1 h con azul de anilina) para evaluar la deposición de colágeno y la remodelación tisular. Se utilizó tinción con hematoxilina y eosina (HE) (5 min con hematoxilina, 2 min con eosina) para observar la morfología general del tejido y la inflamación. Se realizó inmunohistoquímica (IHC) con anti-CD31 (1:100) y anti-EGF (1:200) durante 1 h a 37 °C, seguida de incubación secundaria de anticuerpos a temperatura ambiente (RT) durante 30 min utilizando IgG anti-ratón o IgG anti-conejo (diluida 1:200), dependiendo del anticuerpo primario utilizado, para evaluar la angiogénesis y la expresión del factor de crecimiento. La tinción de inmunofluorescencia se realizó con anti-VEGF (1:100) y anti-bFGF (1:200) durante 1 h a 37 °C, seguida de incubación secundaria de anticuerpos durante 30 min a RT. Se observaron secciones para la expresión de CD31, EGF, VEGF y bFGF utilizando un microscopio de fluorescencia. Para el análisis cuantitativo de PCR en tiempo real (qPCR), se analizó la expresión de ARNm de citocinas proinflamatorias (TNF-α, IL-1β e IL-6) después de la extracción de ARN con RNAiso Plus y la síntesis de ADNc utilizando el kit de reactivos PrimeScript RT. La PCR se realizó utilizando SYBR Green PCR Master Mix para evaluar cuantitativamente la respuesta inflamatoria a nivel molecular.

Medidas de control de calidad
Para garantizar la fiabilidad y reproducibilidad de los resultados experimentales, todos los procedimientos se llevaron a cabo de acuerdo con protocolos estandarizados. Cada experimento incluyó grupos de control apropiados, como controles en blanco (ratas infectadas con S. aureus pero que no recibieron tratamiento), grupos de control (ratas que se sometieron a procedimientos quirúrgicos sin infección bacteriana y sin tratamiento) y grupos de tratamiento comparativo (ratas que recibieron diferentes tratamientos para la osteomielitis, como antibióticos o un fármaco experimental), para minimizar la variabilidad. Todos los ensayos se realizaron por triplicado para garantizar la consistencia y reducir el sesgo experimental. Cada grupo contenía 6 ratas para garantizar la significación estadística. Los instrumentos, incluidos un espectrofotómetro UV-Vis, un reómetro y un probador de tracción, se calibraron de forma rutinaria antes de su uso de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Los cultivos bacterianos y celulares se prepararon en condiciones ambientales controladas en un gabinete de bioseguridad, y se siguieron los procedimientos de tinción utilizando protocolos consistentes para garantizar la reproducibilidad. La adquisición de datos se realizó con configuraciones de microscopio unificadas para minimizar la variabilidad entre muestras y garantizar una medición precisa.

Análisis estadístico
El análisis estadístico se realizó utilizando GraphPad Prism (versión 8.0). Los datos se presentan como media ± desviación estándar (DE). Para la comparación entre múltiples grupos, se utilizó un análisis de varianza de una vía (ANOVA) seguido de la prueba post-hoc de Tukey para evaluar las diferencias en las propiedades mecánicas, el comportamiento termosensible, la actividad antibacteriana y la viabilidad celular. La prueba t de Student se utilizó para comparaciones por pares cuando solo se compararon dos grupos, como en el caso de comparar los picos de reflexión de los parches de CPG a diferentes valores de pH o cambios de temperatura. p < 0,05 se consideró estadísticamente significativo para todos los análisis. Todos los experimentos se realizaron por triplicado para garantizar la consistencia y la reproducibilidad de los resultados.

Resultados

Fabricación y caracterización de parches de GPC (Figura 1)
En un experimento típico, las nanopartículas de sílice monodispersas se autoensamblaron mediante evaporación de solventes para formar matrices compactas, lo que dio como resultado recubrimientos de color estructural (SCC)17,18,19, que posteriormente se utilizaron para crear parches de hidrogel de color estructural multifuncionales, como se muestra en la Figura 1. El proceso implicó la infiltración de una solución de pregel en los espacios a nanoescala de los SCC a través de la acción capilar. Luego se empleó la polimerización UV para formar la película híbrida de SCC e hidrogel. Una vez que se grabaron los SCC, se obtuvo un andamio de piedra antiproteica inversa con una estructura porosa periódica. Finalmente, el hidrogel GelMA termosensible se llenó en los huecos a nanoescala del andamio de cálculos antiproteicos, seguido del curado, para crear los parches de CPG independientes.

La fuerte red de reticulación del hidrogel impartió excelentes propiedades mecánicas a los parches CPG. Se observó que los parches eran lo suficientemente resistentes como para soportar el estiramiento sin causar ningún daño y podían estirarse hasta 2,5 veces su longitud original. Es importante destacar que los parches de CPG exhibieron colores estructurales vibrantes y sufrieron cambios de color dinámicos durante el estiramiento, una característica única que resulta de la disposición periódica de nanoestructuras de alto orden dentro de los parches. Estas nanoestructuras crean brechas de banda fotónicas (PBG), donde la luz en ciertas longitudes de onda dentro del PBG se refleja selectivamente en lugar de transmitirse, dotando a los parches de CPG con sus colores estructurales característicos y picos de reflexión.

La posición de reflexión máxima del parche CPG se puede estimar mediante la ecuación²⁰:

λ = 1.633dn_promedio

donde d es la distancia entre los planos de difracción y n_promedio es el índice de refracción promedio del material, que se calcula como la media de los índices de refracción de los componentes, incluido el hidrogel GelMA y otros materiales utilizados en el parche. Esta ecuación sugiere que, a medida que el parche se estira y d disminuye, la longitud de onda de reflexión disminuye, lo que lleva a un cambio de azul en el color estructural del parche. También se probó la resistencia a la tracción de los parches y se descubrió que la capacidad de deformación de los parches disminuyó debido al relleno de hidrogel GelMA en los huecos a nanoescala del andamio de piedra antiproteica. La deformación de los parches de CPG al estirarse ofrece un medio altamente sensible para la detección de deformación, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren monitoreo mecánico.

Comportamiento termosensible y sensible al pH de los parches de GPC (Figura 2)
Los parches de CPG exhibieron notables propiedades termosensibles debido al hidrogel GelMA. Al aumentar la temperatura ambiental a 37 °C, el hidrogel se retrajo, liberando moléculas de agua y carga cargada. Esta contracción resultó en una reducción en el tamaño de los nanoporos dentro de los parches de CPG, alterando su PBG y, en consecuencia, cambiando el espectro de reflexión. La Figura 2 ilustra este comportamiento, mostrando cómo cambia el color estructural de los parches en respuesta a las variaciones de temperatura y pH.

Para confirmar estas observaciones, los parches de GPC se colocaron en un entorno de herida de infección crónica simulada a 37 °C y pH 7,2. A medida que aumentaba el pH de la solución, se observó un cambio de azul en el pico de reflexión de los parches de CPG, lo que indica que el tamaño de los nanoporos disminuyó. Por el contrario, cuando el pH disminuyó, los parches exhibieron un desplazamiento al rojo, correspondiente a una expansión de los nanoporos. Este comportamiento sensible al pH se atribuyó a la hidrólisis de los enlaces éster de boronato en el CSMA-PBA en condiciones ácidas, lo que rompió los enlaces y resultó en un desplazamiento al rojo del color estructural. Sin embargo, cuando el pH era alcalino, no se observó un cambio de color significativo, lo que indica la estabilidad de los parches en condiciones básicas. Estos hallazgos sugieren que los parches de GPC se pueden usar para monitorear los cambios de temperatura y pH en los entornos de la herida, lo cual es crucial para el manejo efectivo de la herida.

Actividad antibacteriana de los parches de GPC (Figura 3)
Las propiedades antibacterianas de los parches de GPC se evaluaron co-cultivándolos con S. aureus y E. coli. La Figura 3A, B muestra que los parches CPG redujeron significativamente el crecimiento bacteriano, lo que demuestra sus propiedades antibacterianas efectivas. Esta eficacia antibacteriana se atribuyó a la interacción electrostática entre la superficie CMCSMA cargada positivamente de los parches y las paredes celulares bacterianas cargadas negativamente²¹. Esta interacción interrumpió la estructura de la membrana bacteriana, lo que provocó la muerte bacteriana. Los grupos catiónicos de CMCSMA pueden unirse a componentes aniónicos en la membrana bacteriana, lo que lleva a la despolarización de la membrana y al aumento de la permeabilidad²². Además, debido a su tamaño molecular relativamente pequeño y cadenas poliméricas flexibles, CMCSMA puede penetrar la bicapa lipídica de manera más efectiva, causando fugas de sustancias intracelulares e interfiriendo con la actividad metabólica. El pequeño tamaño de las moléculas CMCSMA facilitó aún más su penetración en la membrana celular bacteriana, donde interactuaron con biomoléculas esenciales, interrumpiendo el metabolismo bacteriano y los sistemas enzimáticos²³. Además, teniendo en cuenta la robusta capacidad de formación de biopelículas de S. aureus, vale la pena señalar que se ha informado que los materiales a base de quitosano como CMCSMA alteran las biopelículas bacterianas al penetrar en la matriz de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) e interferir con su integridad. Esto permite que los agentes antibacterianos accedan y maten las bacterias incrustadas en las biopelículas, que suelen ser resistentes a los antibióticos convencionales^24,25. Como se muestra en la Figura 3A, la comparación visual de las colonias bacterianas demuestra claramente una reducción sustancial después del tratamiento con parches de GPC, destacando su actividad bactericida efectiva y su potencial prometedor para su uso en entornos de heridas propensos a infecciones.

Funcionalidad biológica de los parches de GPC (Figura 4)
Los parches CPG demostraron una funcionalidad biológica significativa además de sus propiedades antibacterianas. La Figura 4C, D muestra que los parches eliminaron eficazmente las especies reactivas de oxígeno (ROS) dentro de las células, como lo indica la disminución de la señal de fluorescencia verde en el grupo CPG. La eliminación de ROS es esencial en la cicatrización de heridas, ya que la producción excesiva de ROS puede afectar la regeneración de tejidos. La viabilidad de las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) cocultivadas con los parches de GPC se evaluó mediante tinción de viabilidad, como se muestra en la Figura 4A. Los resultados indicaron que la mayoría de las células estaban vivas, con solo una pequeña proporción de células muertas, lo que sugiere que los parches de GPC promueven la viabilidad celular y apoyan la proliferación celular.

La Figura 4B muestra los resultados de un ensayo MTT, que demostró que los parches de GPC promovieron significativamente la proliferación celular. Además, la Figura 4F, G mostró que los parches de GPC mejoraron la angiogénesis al promover la expresión del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y el factor de crecimiento de fibroblastos básico (bFGF), que son críticos para la proliferación de células endoteliales y la formación de nuevos vasos sanguíneos. Estos resultados resaltan el potencial de los parches CPG no solo para prevenir infecciones, sino también para mejorar la regeneración de tejidos y acelerar la cicatrización de heridas.

Evaluación in vivo de parches de GPC (Figura 5)
Los experimentos in vivo realizados utilizando un modelo de osteomielitis crónica mostraron que los parches de GPC redujeron significativamente la infección y la inflamación. La Figura 5A muestra el análisis histológico (tinción H&E), donde el grupo control exhibió inflamación característica, destrucción ósea, tejido necrótico y alta infiltración de células de defensa, mientras que el grupo de tratamiento mostró una reducción significativa de la infección, inflamación e infiltración de células de defensa. En el grupo de GPC, se observó un aumento de la migración de osteoblastos, la transformación de osteoblastos en células óseas, la formación vascular, la formación de hueso nuevo y la reducción de la infección, lo que confirma aún más la eficacia de los parches de GPC para promover la regeneración de tejidos.

Además, la Figura 5B muestra la tinción de angiogénesis, lo que confirma que los parches de CPG promovieron la formación de nuevos vasos sanguíneos, lo cual es fundamental para la reparación de tejidos. Estos hallazgos sugieren que los parches CPG desempeñan un doble papel tanto en el control de infecciones como en la promoción de la regeneración de tejidos, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de cicatrización de heridas crónicas y regeneración ósea.

Figura 1: Preparación y caracterización del parche de hidrogel de color estructural (CPG). (A): Reacción entre CSMA y PBA; (B): Fotografía de CPG, que demuestra el cambio de color al estirar; (C): caracterización SEM de CPG; (D): Comportamiento de hinchazón de CPG; (E): Perfil de degradación de CPG; (F): Cinética de liberación de fármacos de la GPC. Barra de escala: 100 nm. Las barras de error representan la desviación estándar (DE). Se utilizaron seis ratas en el grupo experimental. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Detección inteligente del parche CPG. (A): Variación del color estructural del parche de GPC con cambios en la temperatura ambiental y el pH; (B): Análisis espectral del parche CPG a diferentes temperaturas; (C): Análisis espectral del parche CPG a diferentes niveles de pH. Barra de escala: 1 mm. Los datos representan la media ± DE, analizada mediante ANOVA de una vía con la prueba post-hoc de Tukey. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Actividad antibacteriana del parche CPG. (A): Imágenes representativas del cocultivo de S. aureus y E. coli con parche de GPC; (B): Análisis de los valores de densidad óptica (OD). Barra de escala: 5 mm. Las barras de error representan DE. La significación estadística se determinó mediante ANOVA de una vía con la prueba post-hoc de Tukey. Se utilizaron seis réplicas por grupo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Evaluación funcional biológica del parche de GPC. (A): Tinción de viabilidad de células HUVEC cocultivadas con parche de GPC durante 48 h, mostrando células vivas (verde) y células muertas (rojo); (B): Proliferación celular medida por ensayo MTT; (C): tinción de ROS del parche de GPC; (D): tasa de eliminación de DPPH en el grupo VEGF; (E): análisis q-PCR de factores inflamatorios; (F): Promoción de la angiogénesis mediante parche de GPC; (G): Resultados de Western blot de la expresión de VEGF y bFGF; (H): Análisis estadístico de los valores en escala de grises de VEGF y bFGF. Barra de escala: 100 μm. Las barras de error representan DE. Los datos se analizaron mediante ANOVA de una vía con la prueba post-hoc de Tukey. Se utilizaron seis ratas en cada grupo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Experimentos in vivo del parche CPG. (A): tinción HE; (B): Tinción de angiogénesis. Barra de escala: 100 μm. Los datos representan la media ± DE, analizada por ANOVA de una vía con la prueba post-hoc de Tukey. Cada grupo contenía 6 animales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Los hallazgos de este estudio demuestran la multifuncionalidad de los parches de hidrogel CPG, particularmente en términos de sus cambios de color estructural, sensibilidad a la temperatura, capacidad de respuesta al pH y propiedades antimicrobianas. Estos parches de hidrogel pueden sufrir cambios de color estructurales visibles cuando se someten a deformación mecánica, lo que ofrece un mecanismo altamente sensible para monitorear la tensión. Esta característica se alinea con estudios previos que han explorado el color estructural en materiales para aplicaciones de sensores, donde dichos cambios de color se emplean como indicadores de deformación o presión^26,27. Nuestro estudio amplía estos hallazgos al utilizar estos cambios de color como un medio no invasivo para monitorear el estrés de la herida, lo cual es esencial para evaluar la cicatrización de heridas en tiempo real. La capacidad de monitorear tales tensiones mecánicas proporciona información crítica para los médicos, lo que podría ayudar a identificar signos tempranos de complicaciones, como la dehiscencia de la sutura, lo que respalda intervenciones más específicas y oportunas. Es importante destacar que la lectura óptica proporciona un mecanismo de detección directo e intuitivo sin la necesidad de dispositivos adicionales de energía o imágenes, ofreciendo una solución de monitoreo descentralizada ideal para el cuidado postoperatorio en el punto de atención o en el hogar.

Los comportamientos termosensibles y sensibles al pH de los parches de hidrogel CPG mejoran su potencial para uso clínico. A medida que las heridas cicatrizan, las fluctuaciones de temperatura y pH son comunes, particularmente en presencia de infección o inflamación²⁸. Se sabe que las temperaturas elevadas y los valores de pH alterados en el sitio de la herida están asociados con estas condiciones. En este estudio, los parches de GPC mostraron sensibilidad a tales cambios, lo que permitió el monitoreo en tiempo real de las condiciones locales de la herida. Esta característica es de particular valor en entornos clínicos, donde la detección temprana de infección o inflamación es esencial para optimizar las estrategias terapéuticas. El monitoreo de las variaciones de temperatura y pH es especialmente importante en el manejo de heridas porque sirven como biomarcadores tempranos y no invasivos del estado de la herida²⁹. La temperatura elevada puede indicar el inicio de la infección antes de que se manifiesten los síntomas clínicos, mientras que los cambios hacia el pH alcalino a menudo indican cronicidad, colonización microbiana y deterioro de la cicatrización. Por el contrario, los ambientes ácidos se asocian con heridas agudas y mejor potencial de cicatrización²⁴. Por lo tanto, la integración de elementos sensibles a la temperatura y al pH en los apósitos para heridas permite intervenciones oportunas y una evaluación continua del progreso de la cicatrización, lo que puede prevenir el deterioro de la herida o la progresión a una infección sistémica. La capacidad del hidrogel para adaptarse dinámicamente a estos cambios también proporciona una nueva herramienta para que los médicos controlen el estado de la herida de forma continua, ofreciendo una mayor precisión en el seguimiento del proceso de cicatrización. Además, esta capacidad de respuesta dinámica permite un control espaciotemporal sobre la liberación terapéutica, lo que garantiza que la administración del fármaco esté sincronizada con las señales patológicas, que es un objetivo central de los biomateriales inteligentes modernos.

Además, las propiedades antimicrobianas de los parches de hidrogel CPG son fundamentales para reducir la carga bacteriana en el sitio de la herida. El quitosano, que se incorporó a la estructura del hidrogel, ha sido reconocido durante mucho tiempo por sus propiedades antimicrobianas, debido a su naturaleza catiónica, que facilita las interacciones electrostáticas con las paredes celulares bacterianas cargadas negativamente²⁹. Sin embargo, el mecanismo antibacteriano de los materiales a base de quitosano no se limita a la simple atracción de carga. Al entrar en contacto con las membranas bacterianas, el quitosano puede aumentar la permeabilidad de la membrana, lo que provoca la fuga de contenidos intracelulares como iones de potasio, proteínas y ácidos nucleicos. Además, el quitosano puede quelar iones metálicos divalentes (por ejemplo, Ca²⁺ y Mg²⁺), interrumpiendo la actividad enzimática y las funciones metabólicas. El quitosano de bajo peso molecular también puede penetrar en la pared celular bacteriana y unirse al ADN, inhibiendo la transcripción del ARNm y la síntesis de proteínas. Estos mecanismos multifacéticos han sido ampliamente documentados. La estructura porosa del andamio de hidrogel amplifica aún más estos efectos al mejorar el área de superficie y el contacto bacteriano, lo que da como resultado una eficacia antibacteriana sinérgica. Esta propiedad es particularmente relevante en el tratamiento de infecciones crónicas, como la osteomielitis, donde la formación de biopelículas complica el proceso de curación^25,30. Los resultados de este estudio demuestran que los parches de hidrogel CPG fueron efectivos para inhibir el crecimiento bacteriano, reducir la carga bacteriana en el sitio de la herida y potencialmente crear un entorno más favorable para la regeneración de tejidos. Esta actividad antimicrobiana, combinada con las otras propiedades del hidrogel, posiciona a los parches como un candidato prometedor para el tratamiento de heridas crónicas, que a menudo están plagadas de contaminación bacteriana y retraso en la cicatrización. Además, al inhibir la colonización bacteriana local, el hidrogel previene indirectamente la regulación positiva de las citoquinas proinflamatorias que a menudo se mantienen en heridas crónicas infectadas, promoviendo así un microambiente pro-regenerativo.

Si bien las ROS generalmente se asocian con estrés oxidativo y daño tisular, es ampliamente reconocido que la generación controlada de ROS juega un papel crucial en la erradicación bacteriana. Las ROS, como los radicales hidroxilo y los aniones superóxido, pueden oxidar las proteínas bacterianas, los lípidos y el ADN, lo que en última instancia conduce a la ruptura de la membrana y la muerte celular. Por lo tanto, la presencia de ROS a niveles moderados sirve como un componente crítico de los mecanismos de defensa antimicrobiana innatos. En el contexto de la osteomielitis crónica, donde persiste la colonización bacteriana y la formación de biopelículas, la eliminación de patógenos es un requisito previo para una regeneración tisular significativa. El hidrogel CPG, al suprimir el exceso de ROS mientras mantiene una actividad antibacteriana efectiva a través de la interrupción de la membrana mediada por CMCSMA y la penetración de la biopelícula, ofrece un enfoque equilibrado. Esta doble función asegura que la inflamación no se prolongue por la presencia bacteriana persistente, lo que permite una transición de la activación inmune a un microambiente regenerativo. Por lo tanto, en lugar de eliminar indiscriminadamente las ROS, este sistema modula el microambiente oxidativo para apoyar tanto la eliminación bacteriana como la curación de los tejidos.

Además de la actividad antimicrobiana, los parches de hidrogel CPG exhibieron una funcionalidad biológica que es crucial para la reparación y regeneración de tejidos³¹. Los ensayos in vitro demostraron que el hidrogel apoyaba la viabilidad y proliferación celular, así como la angiogénesis. Estos hallazgos son consistentes con estudios previos que destacaron la importancia de la angiogénesis en la cicatrización de heridas³². La angiogénesis es fundamental para proporcionar un suministro adecuado de oxígeno y nutrientes al tejido herido, facilitando la regeneración del tejido. Además, los efectos proangiogénicos del hidrogel son particularmente importantes para el tratamiento de heridas crónicas, ya que estas heridas a menudo sufren de una vascularización deficiente, lo que dificulta el proceso de curación^33,34. Al promover la formación de vasos sanguíneos, el hidrogel CPG no solo contribuye a la regeneración de tejidos, sino que también crea un entorno más propicio para la supervivencia a largo plazo del tejido recién formado. Además, la capacidad del hidrogel para promover la migración y diferenciación de osteoblastos agrega un valor significativo en el contexto de la cicatrización ósea, especialmente para pacientes con infecciones óseas crónicas o defectos óseos³⁵. La mejora de la osteogénesis es una vía prometedora para mejorar los resultados en la osteomielitis y las afecciones óseas relacionadas, donde la curación a menudo se ve comprometida. Esta funcionalidad osteoinductiva, integrada con el control de infecciones localizadas, aborda un desafío central en la ingeniería de tejidos musculoesqueléticos: la necesidad de soluciones convergentes que promuevan tanto la defensa antimicrobiana como la regeneración de tejidos en una sola plataforma.

Los resultados in vivo corroboran aún más el potencial terapéutico de los parches de hidrogel CPG, mostrando su capacidad para apoyar la reparación de tejidos, reducir la infección y promover la osteogénesis. En modelos de heridas crónicas, estos hidrogeles facilitaron eficazmente el cierre de heridas y la regeneración de tejidos. En modelos de regeneración ósea, el hidrogel CPG promovió la migración y diferenciación de osteoblastos, mejorando la curación ósea. Estos hallazgos se alinean con los de otros estudios que han explorado estrategias de cicatrización de heridas y regeneración ósea basadas en hidrogel³⁶. La capacidad de los parches de hidrogel CPG para abordar simultáneamente la infección, promover la angiogénesis y apoyar la osteogénesis proporciona una plataforma poderosa para el cuidado integral de heridas, lo que lo convierte en un candidato prometedor para uso clínico.

A pesar de estos resultados prometedores, existen varias limitaciones para el estudio actual. En primer lugar, mientras que los modelos in vitro e in vivo demostraron resultados positivos, los estudios preclínicos se realizaron principalmente en modelos murinos. Si bien los ratones se usan ampliamente para estudios de curación de heridas, es posible que no repliquen completamente la complejidad de la cicatrización de heridas humanas. Por lo tanto, es necesaria una mayor validación en modelos animales más grandes, así como ensayos clínicos en humanos, para confirmar la seguridad y eficacia de estos parches de hidrogel en entornos clínicos del mundo real. En segundo lugar, aunque los hidrogeles CPG exhibieron buenas propiedades mecánicas y funcionalidad biológica a corto plazo, su estabilidad a largo plazo y su comportamiento de degradación in vivo siguen sin estar claros. Los hidrogeles pueden degradarse con el tiempo y sus productos de degradación pueden afectar el proceso de curación o incluso inducir reacciones adversas. Los estudios futuros deben centrarse en optimizar la tasa de degradación de estos hidrogeles para garantizar que se degraden de manera controlada, sin liberar subproductos nocivos. Además, la liberación controlada de agentes bioactivos incorporados en el hidrogel debe refinarse aún más para garantizar efectos terapéuticos sostenidos a lo largo del tiempo, especialmente para el tratamiento de heridas crónicas.

Si bien este estudio se centra en un andamio supramolecular basado en hidrogel, los enfoques alternativos para abordar la misma hipótesis terapéutica incluyen biosensores electroquímicos, sistemas microfluídicos de heridas en chip y vendajes inteligentes que incorporan componentes electrónicos para la detección ambiental. Sin embargo, a diferencia de las tecnologías que a menudo requieren fuentes de energía e interfaces complejas, el parche de hidrogel desarrollado aquí proporciona una plataforma autónoma e interpretable visualmente sin instrumentación externa, lo que lo hace especialmente atractivo para entornos con recursos limitados.

La importancia de este trabajo radica en su potencial traslacional. Más allá de la osteomielitis, la plataforma de GPC se puede personalizar para otras afecciones relacionadas con la inflamación, como úlceras del pie diabético, infecciones del sitio quirúrgico y monitoreo posterior a la resección tumoral. La integración de funcionalidades diagnósticas y terapéuticas en una sola matriz de hidrogel ofrece una oportunidad única para el desarrollo de apósitos inteligentes para heridas de próxima generación. Además, el sistema de color estructural basado en cristales fotónicos presenta oportunidades para la biodetección colorimétrica en tiempo real aplicable en la medicina personalizada. Además, la modularidad del diseño de CPG permite la adaptación para una futura integración con células madre, exosomas o vectores de administración de genes para ampliar aún más sus capacidades regenerativas, alineándose con las trayectorias actuales en medicina regenerativa de precisión.

De cara al futuro, la investigación futura debe centrarse en varias áreas clave. En primer lugar, la optimización de la composición y estructura de los parches de hidrogel CPG será crucial para mejorar su estabilidad y rendimiento a largo plazo. La modificación de la densidad de reticulación y la incorporación de otros agentes bioactivos, como factores de crecimiento o citoquinas, podría mejorar el potencial terapéutico del hidrogel para aplicaciones clínicas específicas. En segundo lugar, ampliar la gama de aplicaciones de estos hidrogeles más allá de las heridas crónicas a otros tipos de regeneración de tejidos, como la reparación de nervios o cartílagos, podría demostrar aún más su versatilidad. Se necesita investigación sobre cómo los hidrogeles de GPC se pueden adaptar a tipos específicos de heridas, como úlceras diabéticas o úlceras por presión, para ampliar su aplicabilidad clínica. En tercer lugar, la integración de terapias avanzadas, como la terapia con células madre o la terapia génica, con parches de hidrogel puede mejorar sus propiedades regenerativas, lo que permite tratamientos más completos y efectivos. Finalmente, serán necesarios ensayos clínicos multicéntricos a gran escala y estudios de aplicación en el mundo real para evaluar la seguridad, la capacidad de fabricación, el cumplimiento del usuario y la preparación regulatoria de la plataforma CPG, apoyando así su eventual traducción clínica.

En conclusión, los parches de hidrogel CPG representan una plataforma prometedora para el cuidado avanzado de heridas y la regeneración de tejidos. Su capacidad para controlar el estrés de la herida, responder a los cambios de temperatura y pH, exhibir propiedades antimicrobianas y promover la regeneración de tejidos ofrece un enfoque multifacético para tratar heridas crónicas. Si bien los resultados de los estudios preclínicos son alentadores, se necesita una mayor optimización y validación clínica para aprovechar plenamente el potencial de estos parches de hidrogel en entornos clínicos. Las direcciones de investigación futuras deben incluir mejoras en la composición del material, aplicaciones más amplias, integración con estrategias terapéuticas avanzadas y ensayos clínicos para establecer su eficacia y seguridad en humanos.

En este experimento, utilizamos una combinación de metilo CSMA-PBA como andamio de ópalo inverso, hidrogel GelMA sensible a la temperatura como relleno y lo cargamos con SA para crear un parche de hidrogel de color estructural inteligente terapéutico y diagnóstico integrado de CPG. Los resultados experimentales demuestran que este parche de hidrogel exhibe excelentes propiedades mecánicas y fuerza adhesiva. Puede inhibir el crecimiento bacteriano, regular significativamente la expresión del factor de crecimiento endotelial vascular y regular a la baja los niveles de factores inflamatorios, proporcionando así perspectivas clínicas significativas para el tratamiento de la COM. Además, es importante destacar que, según la capacidad de la GPC para detectar cambios en la temperatura y el pH en el sitio de la infección, desempeña un papel de monitoreo en la recuperación postoperatoria de la osteomielitis crónica.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Acrilamida (AM, 99%)	Sigma-Aldrich	A8887	Monómero para polimerización de hidrogel
Cloruro de acriloil (AC, 99%)	TCI Chemicals	A0376	Utilizado en reacciones de modificación química
Alúmina alcalina (malla 200-300)	Aladdin	A112336	Se utiliza para purificar metacrilato de metilo
Anticuerpo anti-bFGF	Santa Cruz	SC-9084	Tinción de inmunofluorescencia para la detección del factor de crecimiento
Anticuerpo anti-CD31	Abcam	ab28364	Inmunohistoquímica para la detección de marcadores vasculares
Anticuerpo anti-EGF	Sigma-Aldrich	E9644	Tinción inmunohistoquímica
Anticuerpo anti-VEGF	Santa Cruz	SC-7269	Tinción de inmunofluorescencia para la angiogénesis
Bis-acrilamida (BIS, 97%)	Sigma-Aldrich	M7279	Agente de reticulación en la red de hidrogel
Kit de recuento de células-8 (CCK-8)	Dojindo	CK04	Evaluación de la viabilidad celular
Quitosano, metilacrilato (CSMA-PBA)	Sigma-Aldrich	C3641	Formación de andamios en parches de hidrogel
Sonda DCFH-DA	Tiempo de beyo.	S0033	Detección de especies reactivas de oxígeno (ROS)
Dimetilsulfóxido (DMSO)	Corporación del Grupo Farmacéutico Nacional de China	DMSO-AR	Disolvente para la formulación de hidrogeles
Escherichia coli (E. coli)	ATCC	-	Utilizado en pruebas antibacterianas
Microscopio de fluorescencia	Olimpo	BX53	Inmunofluorescencia e imágenes celulares
Metacrilato de gelatina (GelMA)	Sigma-Aldrich	G1894	Componente de hidrogel sensible a la temperatura
Ácido clorhídrico (HCl)	Chongqing Tianyun	HCl-AR	Ajuste del pH en la síntesis
Peróxido de hidrógeno (H2O2)	Sigma-Aldrich	H1009	Induce estrés oxidativo en las células
Ácido fluorhídrico (HF, 4%)	Sinopharm	H814912	Grabado de cristales coloidales de sílice
Máquina de ensayo de tracción universal Instron	Instron	3345	Pruebas de resistencia mecánica y adhesiva
Celdas L929	ATCC	CCL-1	Se utiliza para ensayos de citotoxicidad y biocompatibilidad
Micrótomo Leica	Leica	RM2235	Se utiliza para la sección de tejidos con parafina
Ratas Sprague-Dawley macho (8 semanas)	Biotecnología de Reagan	-	Modelo de osteomielitis crónica in vivo
Masson' s Kit de tinte tricrómico	Solarbio	G1340	Tinción histológica para fibrosis
Metacrilato de metilo (MMA, 99%)	Sigma-Aldrich	M27805	Monómero para la formación de andamios
Kit de ensayo MTT	Tiempo de beyo.	M5655	Evaluación de la proliferación celular y la citotoxicidad
Paraformaldehído (4%)	Servicebio	G1101	Fijación de tejidos
Parafina	Sigma-Aldrich	P1003	Medio de inclusión para histología
Tampón PBS	Gibco	10010023	Se utiliza en el procesamiento de celdas e hidrogeles
Fenilalanina (99%)	Sigma-Aldrich	P5482	Utilizado en la modificación química
Ácido fenilbórónico (PBA)	TCI Chemicals	P0157	Componente sensible al pH en hidrogel
Persulfato de potasio (KPS)	Pekín Baolingwei	KPS-AR	Iniciador radical en polimerización
Kit de reactivos PrimeScript RT	Takara	RR047A	Se utiliza para la síntesis de ADNc
Kit de ensayo de especies reactivas de oxígeno (ROS)	Biotecnología KeyGen	KGAF019	Evaluación de la actividad antioxidante
Sistema de PCR en tiempo real	Biosistemas aplicados	StepOnePlus	Cuantificación de la expresión génica
RNAiso Plus	Takara	9108	Reactivo de extracción de ARN
Reómetro (HR-1)	Instrumentos TA	HR-1	Caracterización reológica del hidrogel
Ácido salicílico (SA)	Sigma-Aldrich	S3254	Molécula de fármaco en hidrogel
Microscopio electrónico de barrido (SEM)	JEOL	JSM-7500F	Análisis morfológico de la estructura del hidrogel
Nanopartículas de sílice (12 nm)	Sigma-Aldrich	637246	Formación de plantillas de cristal coloidal de sílice
Hidróxido de sodio (NaOH)	Corporación del Grupo Farmacéutico Nacional de China	NaOH-AR	Ajuste del pH
Staphylococcus aureus (S. aureus)	ATCC	-	Utilizado en pruebas antibacterianas
Mezcla maestra de PCR verde SYBR	Biosistemas aplicados	4367659	Reactivo de detección de qPCR
Fuente de luz UV (365 nm, 3 mW/cm²)	Herolab	UVT-28	Utilizado para polimerización UV
Espectrofotómetro UV	Shimadzu	UV-2600	Medición de la liberación de fármacos