Matrices poliuretánicas biorreabsorbibles para aplicaciones en ingeniería de tejidos

Caracciolo, Pablo C.

Matrices poliuretánicas biorreabsorbibles para aplicaciones en ingeniería de tejidos

Caracciolo, Pablo C.

URI: http://rinfi.fi.mdp.edu.ar/handle/123456789/132

Data: 2010-03-01

Resumo:

Segmented polyurethanes (SPU) are block copolymers widely used as biomaterials due to their good biocompatibility and chemical and structural versatility, characteristics that allow a broad range of properties. In the biomedical field, SPU elastomers are mainly used in biostable implants and several biomedical devices. However, polyurethanes are susceptible to hydrolytic and oxidative degradation in physiological conditions, allowing the development of temporal applications for regenerative medicine. In this thesis, the design, synthesis, characterization, properties and processing of a series of novel bioresorbable polyurethane systems is presented. These materials are of interest for applications in tissue engineering. The polyols and chain extenders used in the synthesis of SPU were designed to promote microphase separation and semicrystalline soft-domain formation. Moreover, the use of those components and aliphatic diisocyanates ensure the bioresobability of their non toxic degradation byproducts. The effect of chain extender and hard segment structure and chemical composition in the thermal and mechanical properties of SPU films was analyzed. The different chemical structure and symmetry of both chain extenders and hard segments affected the phase separation. Thermodynamically, the synthesized HDI-based hard segments exhibited lower phase mixing with PCL soft segments than other HDI-based hard segments reported in the literature. The materials were soft elastomers, as demonstrated by the mechanical properties in tensile, loading cycles and tear. The in vitro biological properties, as determined by using several analytical techniques, displayed low platelet adhesion and activation, low thrombus formation, and low cytotoxicity, showing a priori a good biocompatibility of these materials. The electrospinning technology allowed the preparation of micro/nanofibrous polyurethane scaffolds by an appropriate selection of the processing parameters and solution properties. Thermal and mechanical properties of these micro/nanofibrous scaffolds were analyzed and compared with the obtained for the films. The characteristics of the processing technique led to different crystalline morphologies. The scaffolds displayed a highly interconnected porous structure, microstructure useful for soft tissue engineering and drug delivery applications. The degradative behavior of films and scaffolds were studied in physiological and accelerated conditions. The evaluation of hydrolytic and oxidative stability as a function of composition, structure and morphology of each system was performed. Finally, polyurethane networks with controlled hydrophilicity were obtained by using hydrophilic and hydrophobic monomers. Thermal and water uptake were studied as a function of the composition for each formulation. The presence of chemical and physical crosslinking introduced an interesting feature that affected the observed properties.

Descrição:

Los poliuretanos segmentados son copolímeros en bloque que se emplean ampliamente como biomateriales debido a su buena biocompatibilidad y a la versatilidad química y estructural, características que posibilitan una enorme variedad de propiedades. En el campo biomédico, se aplican principalmente como elastómeros en implantes bioestables y diversos dispositivos biomédicos. Sin embargo, ciertos poliuretanos son susceptibles a degradación hidrolítica y oxidativa en condiciones fisiológicas, propiedad que permite el desarrollo de aplicaciones temporales en medicina regenerativa. En esta tesis se presenta el diseño, síntesis, caracterización, propiedades y procesamiento de una serie de nuevos sistemas poliuretánicos biorreabsorbibles de interés para su aplicación en ingeniería de tejidos biológicos. Los polioles y extendedores de cadena empleados en la síntesis de los poliuretanos segmentados se diseñaron de manera de favorecer la separación de microfases y la formación de dominios blandos semicristalinos, y junto con el empleo de diisocianatos alifáticos, asegurar la biorreabsorbabilidad de sus subproductos de degradación no tóxicos. Se analizó el efecto de la composición química y estructura de los extendedores de cadena y los segmentos duros en las propiedades térmicas y mecánicas de filmes. La diferente estructura química y simetría de los extendedores de cadena y segmentos duros influyó en la separación de fases. Termodinámicamente, los segmentos duros sintetizados con HDI exhibieron una menor tendencia a mezclarse con segmentos blandos de PCL que otros segmentos duros de HDI descriptos en la literatura. Los materiales resultaron elastómeros blandos, como lo demuestra el estudio de sus propiedades mecánicas en tracción, carga y descarga cíclica y desgarro. Las propiedades biológicas in vitro se determinaron empleando diversas técnicas de análisis, mostrando baja adhesión y activación plaquetaria, baja formación de trombos y baja citotoxicidad, propiedades que determinan a priori la buena biocompatibilidad de estos materiales. La técnica de electrospinning permitió la preparación de matrices poliuretánicas micro/nanofibrosas uniformes mediante una apropiada selección de los parámetros de procesamiento y propiedades de las soluciones. Se analizaron las propiedades térmicas y mecánicas de matrices micro/nanofibrosas y se compararon con las propiedades de los correspondientes filmes. Las características propias de la técnica de procesamiento condujeron a morfologías cristalinas diferentes. Las matrices presentaron una estructura altamente porosa, con poros interconectados, microestructura apropiada para aplicaciones en ingeniería de tejidos blandos y liberación controlada de principios activos. El estudio del comportamiento degradativo de filmes y matrices porosas, tanto en condiciones fisiológicas como en ensayos acelerados, permitió evaluar la estabilidad hidrolítica y oxidativa en función de la composición, estructura y morfología de cada sistema. Finalmente, se obtuvieron redes poliuretánicas con hidrofilicidad controlada empleando monómeros hidrofóbicos e hidrofílicos. Las propiedades térmicas y la absorción de agua de las redes se estudiaron en función de la composición de cada formulación. La presencia de entrecruzamiento químico y físico introdujo un aspecto interesante que influyó en las propiedades observadas.

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