Printable biomaterial for enhanced oxygen production based on modified hyaluronic acid hydrogel with application in wound healing

Hypoxia at the wound site can hinder the normal healing process, as oxygen (O2) plays a pivotal role in all wound healing stages, including epithelization, angiogenesis, and collagen deposition. Moreover, the accumulation of reactive oxygen species (ROS) may even worsen the oxidative stress caused by inadequate O2 supply. To alleviate hypoxia and improve wound repair, an in situ O2-supplier biomaterial has been proposed in this study. Known as one of the safest peroxides for in situ O2 delivery in chronic wound sites, calcium peroxide (CaO2) was the source of O2 utilized. Specifically, in this work we developed a printable in situ O2-generating and carrying composite hydrogel, based on hyaluronic acid (HA) functionalized with catalase (CAT). Belonging to the peroxidase enzyme class, CAT can decompose the hydrogen peroxide (H2O2) into water and O2 via oxidation and reduction reactions [1]. Therefore, CAT has the potential to be used at the wound site for enhanced production of O2 by scavenging H2O2. Moreover, we loaded CaO2 into polycaprolactone (PCL) particles and fluorinated HA nanoparticles were also embedded in the hydrogel matrix. We hypothesized that the protection of CaO2 with PCL could extend the release of O2 from CaO2 by restricting water access to CaO2. The fluorinated HA nanoparticles were designed to inhibit the O2 burst release by trapping the produced O2. With its capacity for an increased and prolonged supply of O2, simultaneous with its ability to scavenge ROS, the proposed composite hydrogel is shown to enhance cell viability, resulting in accelerated wound healing.

L'ipossia nel sito della ferita può ostacolarne il normale processo di guarigione, poiché l'ossigeno (O2) svolge un ruolo fondamentale in tutte le fasi di guarigione della ferita, tra cui l'epitelizzazione, l'angiogenesi e la deposizione di collagene. Inoltre, l'accumulo di specie reattive dell'ossigeno (ROS) può addirittura peggiorare lo stress ossidativo causato dall'insufficiente apporto di O2. Per alleviare l'ipossia e migliorare la riparazione delle ferite, in questo studio è stato proposto un biomateriale in grado di fornire O2 in situ. Conosciuto come uno dei perossidi più sicuri per la somministrazione di O2 nel sito di ferite croniche, il perossido di calcio (CaO2) è stata la fonte di O2 impiegata. Nel dettaglio, in questo lavoro abbiamo sviluppato un idrogel composito stampabile che genera e trasporta O2, a base di acido ialuronico (HA) funzionalizzato con l’enzima catalasi (CAT). Appartenente alla classe delle perossidasi, la CAT può decomporre il perossido di idrogeno (H2O2) in acqua e O2 attraverso reazioni di ossidazione e riduzione [1]. Pertanto, la CAT ha il potenziale per essere utilizzata nel sito della ferita per accrescere la produzione di O2 attraverso la rimozione dell'H2O2. Inoltre, abbiamo caricato il CaO2 in particelle di policaprolattone (PCL) che, insieme a nanoparticelle di HA fluorurato, sono state incorporate nella matrice dell’idrogel. Abbiamo ipotizzato che la protezione del CaO2 con il PCL potesse prolungare il rilascio di O2 dal CaO2 limitando l'accesso dell'acqua al CaO2. Le nanoparticelle di HA fluorurato sono state progettate per inibire il rilascio istantaneo di O2 mediante l’intrappolamento dell'O2 prodotto. Con la sua capacità di un apporto aumentato e prolungato di O2, simultanea all’abilità di eliminazione delle ROS, l'idrogel composito proposto si dimostra in grado di aumentare la vitalità delle cellule, accelerando la guarigione delle ferite.