Alzamel, Fatma (2026) Engineered Channelled Hydrogel for Healing Chronic Wounds: an Application to Repair Large, Deep, and Chronic Driveline Wounds. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Engineered channelled hydrogel for healing chronic wounds An application to repair large, deep, and chronic driveline wounds.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 18 August 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تفشل الجروح المزمنة في التقدم خلال مراحل الشفاء الطبيعية، وغالبًا ما تتعقد بسبب الالتهاب المستمر والعدوى وضعف التروية الدموية. يُلاحظ هذا التحدي عادةً في الجروح الكبيرة والعميقة أو الجروح المفتوحة المعرضة للاحتكاك والتلامس والإجهاد الميكانيكي الحيوي الناتج عن حركة الأجسام الغريبة. على الرغم من الاهتمام المستمر بضمادات الهيدروجيل نظرًا لتوافقها الحيوي وقدرتها على الترطيب وحملها للعوامل العلاجية، إلا أن ضمادات الهيدروجيل التقليدية تعتمد بشكل أساسي على النقل المحدود بالانتشار، وهو بطيء جدًا بحيث لا يدعم إدارة السوائل بكفاءة وتوصيل الأدوية بشكل موجه مكانيًا في الجروح الكبيرة والعميقة أو نفقية الشكل. تقدم هذه الأطروحة هيدروجيلًا مُهندسًا ذو قنوات، يُتيح توصيل الأدوية ونقلها بسرعة نسبية عبر الخاصية الشعرية من خلال قنوات دقيقة ومتوسطة مُدمجة، مع انتشار موضعي في الأنسجة المحيطة لتحقيق توصيل أسرع وأكثر توجيهًا للعوامل المضادة للميكروبات والعلاجية. نبدأ بقناة مستقيمة بسيطة داخل الهيدروجيل، ثم ندرس جدوى استخدام تقنيات النقش بالليزر والقولبة والطباعة ثلاثية الأبعاد. تتطلب كل طريقة من هذه الطرق تحسينًا دقيقًا لمعاملات التشغيل، لا سيما في حالة النقش بالليزر، بالإضافة إلى ضبط دقيق للطرق الأخرى. يتضمن جزء كبير من هذه الأطروحة، ولأول مرة في الأدبيات العلمية، تتبع عملية النقش بالليزر في ضمادات الهيدروجيل في المختبر. يقدم هذا العمل أيضًا نموذجًا تحليليًا بسيطًا يصف سلوك الامتصاص الشعري لعامل علاجي عبر قناة مُشكلة فعلياً داخل هيدروجيل ذي قنوات. أُجريت مقارنة مباشرة بين النظرية والملاحظات التجريبية للتحقق من صحة نموذج لوكاس-واشبورن الأساسي لقناة مستقيمة بسيطة، وتحديد الانحرافات بين التأثير الشعري المثالي والاستجابة الشعرية الفعلية داخل الهيدروجيل. على وجه الخصوص، نعتمد على معادلة لوكاس-واشبورن الكلاسيكية، التي تم التحقق من صحتها تجريبيًا للقناة المستقيمة، مع إضافات تحليلية تتضمن امتدادات لمراعاة عتبة بدء التدفق، وطول النقل الفعال المحدود. هذه الامتدادات مقترحة تحليليًا، ولكن لم يتم التحقق من صحتها تجريبيًا في هذا العمل. للتحقق من صحة النموذج التحليلي، قمنا بتتبع خاصية الامتصاص الشعري لعامل علاجي نموذجي عبر القنوات المحفورة. تم التقاط صور مجهرية عالية الدقة واستُخدمت لقياس جبهة السائل المتقدمة، مما مكّن من حساب مسافة الامتصاص وسرعته وتسارعه. وتم تحديد الأداء كميًا من خلال هذه القياسات القائمة على الصور. كما تم توصيف ضمادات الهيدروجيل من حيث خصائصها الميكانيكية، وبنيتها المجهرية، وتركيبها، وبنيتها الكيميائية. والنتيجة هي إطار عمل قابل للتكرار وموجه بالنموذج لضمادات الهيدروجيل ذات القنوات، والتي تُحسّن نقل الكتلة وتُوفر علاجًا موضعيًا للجروح المزمنة المعقدة ذات المساحات السطحية الواسعة. الكلمات المفتاحية: قنوات مُهندسة، ضمادات الهيدروجيل، ديناميكيات الامتصاص الشعري، التئام الجروح المزمنة، الجروح المرتبطة بخطوط التوصيل، توصيل الأدوية.

English Abstract

Chronic wounds fail to progress through the normal phases of healing and are frequently complicated by persistent inflammation, infection, and impaired vascularization. This challenge is often encountered in spatially large, deep wounds or open wounds subjected to friction, contact, and biomechanical stresses from moving foreign objects. While hydrogel dressings are attractive due to their biocompatibility, hydration capacity, and ability to carry therapeutic agents, conventional bulk hydrogels rely primarily on diffusion-limited transport, which is too slow to support efficient fluid management and spatially targeted drug delivery in large, deep, or tunnel-shaped wounds. This thesis presents an engineered channelled hydrogel that enables relatively rapid drug delivery and transport via capillary-driven wicking through embedded micro-/meso-channels, with localized diffusion into the surrounding tissue to achieve faster and more directed delivery of antimicrobial and therapeutic agents. We begin with a simple straight channel within the hydrogel. Laser engraving, moulding, and 3D printing are examined for feasibility. Each of these methods requires meticulous parameter optimization, particularly in the case of laser engraving, as well as fine-tuning for the other approaches. A major part of this thesis involves, for the first time in the literature, in situ tracking of the laser engraving process in hydrogels. This work also presents a simple analytical model that captures the wicking behaviour of a therapeutic agent through an actualized channel within a channelled hydrogel. A one-to-one comparison between theory and experimental observations is conducted to validate the base Lucas-Washburn model for a simple straight channel and identify deviations between the ideal capillary effect and the actual capillary response within the hydrogel. In particular, we rely on the classical Lucas-Washburn equation, which is experimentally validated for the straight channel, with additional analytical with extensions to account for a flow initiation threshold, and finite effective transport length. These extensions are proposed analytically but are not experimentally validated in the present work. To validate the analytical model, we perform in situ tracking of capillary action (wicking) of a representative therapeutic agent through the engraved channels. High-definition microscopic images are captured and used to measure the advancing fluid front, enabling the calculation of wicking distance, velocity, and acceleration. Performance is quantified through these image-based measurements. The hydrogels are further characterized in terms of their mechanical properties, microstructure, composition, and chemical structure. The outcome is a reproducible, model-guided framework for channelled hydrogel dressings that enable enhanced mass transport and localized therapy for complex chronic wound topologies spanning large surface areas. Keywords Engineered channels, Hydrogels, Wicking dynamics, Chronic wound healing, Driveline-associated wounds, Drug delivery.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Ahmed Dalaq,
Thesis Committee Members:	Musa Musa, Alexis Mouanda,
Depositing User:	FATMA ALZAMEL
Date Deposited:	18 Aug 2026 12:52
Last Modified:	18 Aug 2026 12:52
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144718