Search

Objective: Skin graft donor site management is a concern particularly for elderly patients and patients with poor wound healing competence, and also because donor sites are a source of pain and discomfort. Although different types of dressings exist, there is no consensus regarding optimal dressing type on donor site care to promote healing, reduce pain, and improve patients' comfort. Approach: This prospective, single-center clinical trial evaluated the performance of nanofibrillar cellulose (NFC) wound dressing (FibDex (R) by UPM-Kymmene Corporation) for treatment of donor sites compared with a polylactide-based copolymer dressing. The study enrolled 24 patients requiring skin grafting with mean age of 49 +/- 18. The primary outcome measure was wound healing time. Secondary outcomes, the epithelialization, subjective pain, the scar appearance assessed using the Patient and Observer Scar Assessment Scale (POSAS), and skin elasticity and transepidermal water loss (TEWL), were evaluated at 1 and 6 months postoperatively. Results: No statistically significant differences were observed between NFC and copolymer dressings regarding wound healing time, epithelialization, experience of pain, or TEWL. Significant differences were observed in the POSAS results for thickness and vascularity in the Observer score, in the favor of NFC over copolymer dressing. Moreover, skin elasticity was significantly improved with NFC dressing in terms of viscoelasticity and elastic modulus at 1 month postoperatively. Innovation: NFC dressing is a new, green sustainable product for wound treatment without animal or human-origin components. Conclusion: NFC dressing provides efficient wound healing at skin graft donor sites and is comparable or even preferable compared with the copolymer dressing.

Since wound healing represents an increasing burden and a clinical challenge for healthcare professionals, there is a continuous need for more efficient therapy methods. Although current methods include wound dressings, skin grafts, and more recently skin substitutes that often offer a working therapy method, lack of transplantation material and time-consuming preparation time have limited their use. The aim of this thesis was to study the interactions between human adipose-derived mesenchymal stromal cells (hASCs) and wood-derived nanofibrillar cellulose (NFC) dressings and further to evaluate the function of NFC dressing as a cell delivery vehicle in vitro and a wound-healing process in vivo. Additionally, the biocompatibility of two different NFC hydrogel types was evaluated in vitro and their effects on wound healing in vivo. First, the interactions between hASCs and three differentially manufactured NFC dressings (Types 1, 3, and 4) were studied by analyzing cell characteristics. Furthermore, the immunological properties of hASCs were evaluated using enzymelinked immunosorbent and monocyte migration assays. Second, Type 4 NFC dressing was studied clinically by comparing it with a commercial wound dressing when treating skin graft donor site wounds. Third, the biocompatibility of native and anionic NFC hydrogels was evaluated in vitro by analyzing hASCs’ viability and morphology and in vivo using a splinted full-thickness mouse wound healing model. Three different NFC dressings demonstrated different effects on hASCs. Based on our studies, Type 3 NFC dressing offered a functional cell culture platform and potential cell delivery vehicle for hASCs in a cell density-dependent manner without affecting hASCs’ gene or protein expression levels. Further studies suggested that immunological properties of hASCs were also maintained regarding secretion of vascular endothelial growth factor and transforming growth factor-b1 as well as their positive effect on monocyte migration capacity when cultured on top of Type 3 NFC dressing. In contrast, Type 1 and Type 4 NFC dressing did not support the cell culture of hASCs. However, when studied clinically, Type 4 NFC dressing performed comparably with a commercial wound dressing. No statistically significant differences were observed regarding wound healing time determined as the detachment day of the dressing or in percentage of skin epithelialization. Moreover, no difference was observed between Type 4 NFC dressing and commercial wound dressing or between Type 4 NFC dressing and healthy skin regarding skin elasticity in terms of viscoelasticity, elastic modulus, and transepidermal water loss six months postoperatively. Importantly, Type 4 NFC dressing also presented a trend toward less pain experienced by the patients during treatment. Similar to NFC dressings, both native and anionic NFC hydrogels were biocompatible in vitro and supported hASC spheroid formation and high cell viabilities during three-dimensional cell culturing. In vivo, neither NFC hydrogel showed statistically significant differences in wound healing compared with untreated control wounds, and presented normal inflammatory response, granulation-tissue maturation, wound closure rate, re-epithelialization, and vascularization with no signs of fibrosis. To summarize, NFC dressing offers a functional cell culture platform for hASCs and potential therapy material for patient wound treatment. Similarly, native and anionic NFC hydrogels appear to be promising materials for wound treatment. This thesis describes the potential biomaterial NFC for wound healing treatment that is easy to prepare, modify, and use in different forms. NFC dressing is applicable both as a cell scaffold and for patient wound treatment, while native and anionic NFC hydrogels appear to be promising materials for wound treatment. This thesis further describes cell-biomaterial interactions between hASCs and NFC that show relevance for future cell therapies. These findings offer insight into different wound therapy effects of NFC-based materials as well as their possible effects on hASCs, which could improve (and have already) the design of new wound healing therapy methods. Haavan paraneminen on – ja on kasvavissa määrin myös tulevaisuudessa – sekä suuri taakka että kliininen haaste terveydenhuollon ammattilaisille. Näin ollen myös tarve tehokkaammille hoitomenetelmille on jatkuva. Vaikka nykyiset haavanhoitomenetelmät – mukaan lukien erilaiset haavasidokset, ihonsiirteet ja viimeisimpänä niin kutsutut kudosteknologiset ihonkorvikkeet – tarjoavat usein toimivan hoitomenetelmän, esimerkiksi elinsiirtomateriaalien puute ja tuotteiden aikaa vievä valmistus ovat rajoittaneet niiden käyttöä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia ihmisestä eristettyjen mesenkymaalisten stroomasolujen (hASC-solujen) ja puuperäisen nanofibrilloidun selluloosa (nanofibrillar cellulose; NFC)- haavasidoksen välisiä solu-biomateriaali vuorovaikutuksia ja arvioida edelleen NFC-haavasidoksen toimivuutta solunsiirtovälineenä in vitro ja sen vaikutusta haavan paranemiseen in vivo. Lisäksi tutkittiin kahden erityyppisen NFC-hydrogeelin biologista yhteensopivuutta solujen kanssa, sekä niiden vaikutusta haavan paranemisprosessiin in vivo. Tutkimus tehtiin käyttäen kolmea eri tavalla valmistettua NFC-haavasidosta (Tyypit 1, 3 ja 4) ja analysoimalla niiden päällä kasvatettujen hASCsolujen ominaisuuksia kuten elävyyttä, morfologiaa, geenien ilmentymistä ja immunologisia ominaisuuksia. Edelleen Tyypin 4 NFC-haavasidoksen vaikutusta tutkittiin haavan paranemisprosessissa in vivo vertaamalla sitä kliinisesti kaupalliseen haavasidokseen ihonsiirteen ottokohdan hoidossa potilailla. NFC-hydrogeelien ominaisuuksia verrattiin analysoimalla hASCsolujen elävyyttä ja morfologiaa in vitro kasvatettaessa niitä hydrogeelissä sekä tutkimalla hydrogeelien vaikutusta haavan paranemiseen in vivo käyttäen hiiren haavamallia. Tulosten perusteella kolmella eri NFC-haavasidoksella havaittiin olevan hyvin erilaisia vaikutuksia hASC-solujen ominaisuuksiin. Tutkituista haavasidoksista vain Tyypin 3 NFC-haavasidos kykeni toimimaan hASC-solujen kasvatusalustana. Tyypin 3 NFC-haavasidoksen ei huomattu vaikuttavan hASC-soluille ominaisten geenien tai proteiinien ilmentymiseen, minkä vuoksi se voisi mahdollisesti toimia solunsiirtovälineenä haavanhoidossa. Solujen kasvu oli kuitenkin riippuvainen solukasvatuksessa käytetystä solutiheydestä. Lisätutkimukset osoittivat, että hASC-soluille ominaiset immunologiset ominaisuudet sekä positiivinen vaikutus monosyyttien migraatioon säilyivät kasvatettaessa niitä Tyypin 3 NFC-haavasidoksen päällä. Muut NFC-haavasidostyypit eivät tukeneet hASC-solujen kasvatusta. Kliinisessä tutkimuksessa Tyypin 4 NFC-haavasidoksen osoitettiin edesauttavan haavan paranemista yhtäläisesti kaupalliseen haavasidokseen verrattuna, sillä tilastollisesti merkitseviä eroja haavan paranemisajassa ei huomattu. Lisäksi Tyypin 4 NFChaavasidoksella hoidetun ihon sekä terveen ihon ominaisuudet vastasivat toisiaan kuuden kuukauden seuranta-ajan jälkeen. Huomion arvoista on myös se, että Tyypin 4 NFC- haavasidoksen koettiin aiheuttavan vähemmän kipua hoidon aikana verrattuna kaupalliseen haavasidokseen. NFChaavasidoksen tapaan myös molemmat tutkitut NFC-hydrogeelit olivat biologisesti yhteensopivia in vitro, ja lisäksi ne tukivat hASC-solurykelmien muodostumista sekä niiden elävyyttä kolmiulotteisen solukasvatuksen aikana. Tutkittaessa hydrogeelejä hiiren haavamallissa in vivo, haavan paranemisprosessi eteni NFC-hydrogeeleillä hoidetuissa haavoissa samoin kuin hoitamattomissa verrokkeissa, sisältäen normaalin tulehdusvasteen, granulaatiokudoksen muodostumisen, haavan sulkeutumisnopeuden ja uusien verisuonien muodostumisen. Yhteenvetona voidaan todeta, että NFChaavasidosta voidaan käyttää solukasvatusalustana hASC-soluille ja se tarjoaa lupaavan hoitomenetelmän haavan hoitoon. Tämän väitöskirjatutkimuksen perusteella myös molemmat tutkitut NFC-hydrogeelit vaikuttavat lupaavilta materiaaleilta tähän tarkoitukseen. Tämä väitöskirja esittelee lupaavan, helposti valmistettavan sekä muokattavan puupohjaisen biomateriaalin, NFC:n, käytettäväksi haavanhoitoon. Tämän lisäksi NFC-haavasidos soveltuu käytettäväksi solun irtovälineenä ja sen, sekä hASC-solujen yhteisvaikutukset ovat merkittäviä tulevaisuuden soluhoitojen kannalta. Yhdessä nämä löydökset tarjoavat tietoa NFC-pohjaisten materiaalien erilaisista vaikutuksista haavan hoidossa, joilla voidaan parantaa — ja on jo parannettu — uusien haavanhoitomenetelmien suunnittelua.

The aim of this study was to evaluate the effects of two nanofibrillated cellulose (NFC) hydrogels on two human derivatives during freeze-drying. Native NFC hydrogel is a suitable platform to culture 3D cell spheroids and a hydrogel processed further, called anionic NFC (ANFC) hydrogel, is an excellent platform for controlled release of proteins. Moreover, it has been shown to be compatible with freeze-drying when correct lyoprotectants are implemented. Freeze-drying is a method, where substance is first frozen, and then vacuum dried trough sublimation of water in order to achieve dry matter without the loss of the original three-dimensional structures. The first chosen human derivative was adipose tissue extract (ATE) which is a cell-free growth factor-rich preparation capable of promoting growth of regenerative cells. The release of growth factors from the freeze-dried mixture of ATE and ANFC was compared to that of non-freeze-dried control mixtures. The release profiles remained at the same level after freeze-drying. The second derivative was hepatocellular carcinoma (HepG2) cell spheroids which were evaluated before and after freeze-drying. The 3D structure of the HepG2 cell spheroids was preserved and the spheroids retained 18% of their metabolic activity after rehydration. However, the freeze-dried and rehydrated HepG2 cell spheroids did not proliferate and the cell membrane was damaged by fusion and formation of crystals. acceptedVersion

Supplementary Materials and Methods of this study. (DOCX 40 kb)

Flow cytometry analysis of cell surface markers of hASCs. n=12; *n=4 (DOCX 13 kb)