Development of photocrosslinkable surgical adhesives

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs adesivos cirúrgicos têm vindo a ser objeto de estudo ao longo dos anos, surgindo como uma alternativa a métodos mais tradicionais de tratamento e regeneração de tecidos biológicos. O desenvolvimento destes materiais constitui uma boa aposta em práticas cirúrgicas devido às inúmeras vantagens que apresentam, refletindo-se principalmente numa melhoria da qualidade de vida do paciente. De entre as principais características que tornam os bioadesivos tão atrativos, destaca-se a redução do trauma nos tecidos circundantes, traduzindo-se em melhores resultados estéticos, a rapidez e facilidade de aplicação e a possibilidade de serem biodegradáveis, podendo ser absorvidos pelo organismo. O avanço tecnológico tem promovido o desenvolvimento e o aumento da oferta de bioadesivos de emprego cirúrgico generalizado. Atualmente, estão disponíveis no mercado alguns adesivos e selantes, de origem natural e sintética, para as mais variadas aplicações clínicas. Porém, a libertação de subprodutos tóxicos, o fraco desempenho mecânico, a probabilidade de transmissão de doenças e o risco de infeções, têm restringido as suas utilizações por parte dos profissionais de saúde. Uma possível solução para estas desvantagens centra-se no desenvolvimento de adesivos com base em polímeros biodegradáveis e biocompatíveis, com grupos terminais foto-reticuláveis. Por sua vez, os adesivos foto-reticuláveis por meio da exposição à irradiação UV apresentam uma série de vantagens, nomeadamente uma elevada velocidade de reação de cura, um maior controlo da temperatura de polimerização e das propriedades finais dos materiais.O presente trabalho consistiu na síntese de copolímeros, a partir de poliésteres insaturados (UPs) e de oligómeros de ácido lático funcionalizados com metacrilato de 2-isocianoetilo (IEMA), para a preparação de novos adesivos cirúrgicos foto-reticuláveis. Foram testadas e desenvolvidas novas formulações de base UPs, tendo sido estudados diversos parâmetros do sistema, desde os diferentes tipos de polóis e ácidos carboxílicos usados bem como a percentagem de monómeros adicionada. Por sua vez, selecionou-se o macrómero de ácido lático modificado, devido às suas vantajosas propriedades recentemente estudadas e avaliadas na produção de bioadesivos. Posto isto, foram testadas três proporções estequiométricas diferentes, que após adição de um fotoiniciador biocompatível (Irgacure® 2959), permitiu a obtenção de matrizes flexíveis, resistentes e uniformes, ao fim de 2 minutos e 30 segundos de reticulação. Este compromisso foi considerado promissor para uma futura aplicação em contexto clínico.As análises ATR-FTIR e 1H RMN permitiram acompanhar o progresso das reações de síntese, funcionalização e foto-reticulação. Os materiais preparados foram ainda caracterizados pelas mais diversas técnicas, com o intuito de avaliar as propriedades químicas, físicas, térmicas, mecânicas e biológicas, possibilitando, desta forma, a sua validação como potenciais adesivos cirúrgicos.A técnica termogravimétrica indicou que os materiais são termicamente mais estáveis após foto-reticulação, apresentando estabilidade à temperatura fisiológica e exibindo temperaturas de degradação acima dos 200ºC. A análise térmica dinâmico-mecânica permitiu também identificar as transições térmicas nestes materiais. A capacidade de absorção de água dos adesivos, varia consoante a composição estequiométrica dos copolímeros e o grau de reticulação das matrizes. Quando incubados numa solução de PBS os adesivos revelaram-se hidroliticamente instáveis, verificando-se uma relação evidente com a sua capacidade de absorção de água e grau de reticulação. Esta instabilidade permitiu concluir que os filmes são biodegradáveis, com potencial de absorção por parte do organismo. Por fim, nos estudos de biocompatibilidade foi possível avaliar o comportamento dos materiais com e sem incorporação de um fármaco modelo nas suas estruturas. Selecionou-se para este fim a clorexidina (CHX), devido à sua função bactericida e bacteriostática, permitindo assim averiguar a sua influência na viabilidade celular e na atividade bacteriana, quando em contacto com os materiais. Relativamente aos adesivos sem fármaco adicionado, verificou-se que a grande maioria apresentava excelentes resultados, com valores de viabilidade celular muito perto dos 100%, mesmo para tempos de incubação de 7 dias, pelo que os respetivos materiais foram considerados biocompatíveis. Conclui-se também que a presença da CHX afetou a viabilidade das células. Por sua vez, os estudos da atividade bacteriana revelaram o expectável, isto é, que os adesivos apresentavam características bactericidas, úteis na minimização ou até na prevenção de infeções.Face aos resultados obtidos pode afirmar-se que os novos adesivos sintetizados apresentam características promissoras para a sua utilização em cirurgia. Não obstante, ainda serão necessários novos testes de caracterização, de modo a garantir a sua aplicabilidade de forma segura.Surgical adhesives have been an object of study over the years, appearing as an alternative to traditional methods in the treatment and regeneration of biological tissues. The development of these materials will promote the enhancement of surgical practices, due to their numerous advantages, which mainly reflect in an improvement in the patient's quality of life. Among the main characteristics that make the bioadhesive so attractive, the reduction of the trauma in the surrounding tissues must be highlighted, resulting in better aesthetic results, the speed and ease of application and the possibility of being biodegradable, which make them able of being absorbed by the organism. Technological advances have endorsed the development and the increase of the bioadhesive offer of generalized surgical employment. Currently, some natural and synthetic adhesives and sealants are available for the most varied clinical applications. However, the release of toxic byproducts, a poor mechanical performance, the probability of disease transmission and the risk of infections restricted their use by health professionals. One possible solution to these drawbacks is the development of adhesives based on biodegradable and biocompatible polymers with photocrosslinkable end groups. In turn, light-cured adhesives by exposure to UV irradiation have several advantages, namely a high curing reaction rate, a better control of the polymerization temperature and of the final properties of the materials.The present work consisted in the synthesis of copolymers, based on unsaturated polyesters (UPs) and lactic acid oligomers functionalized with 2-isocyanatoethyl methacrylate (IEMA), for the preparation of new photopolymerizable surgical adhesives.New UPs formulations were tested and developed, and several system parameters were studied, including different types of glycols and carboxylic acids used, as well as the percentage of monomers added. In turn, the modified lactic acid macromer was selected because of its advantageous properties recently studied and evaluated in the production of bioadhesives. Henceforth, three different stoichiometric proportions were tested, which, after the addition of a biocompatible photoinitiator (Irgacure® 2959), allowed to obtain flexible, resistant and uniform matrices after 2 minutes and 30 seconds of crosslinking. This commitment was considered promising for a future application in the clinical practice.The ATR-FTIR and 1H NMR analyzes allowed to monitor the progress of the synthesis, functionalization and photopolymerization reactions. The prepared materials were characterized by using the most diverse techniques, with the purpose of evaluating the chemical, physical, thermal, mechanical and biological properties, thus allowing their validation as potential surgical adhesives.The thermogravimetric technique indicated that the materials became more thermally stable after photopolymerization, exhibiting stability at physiological temperature and degradation at temperatures above 200°C. Dynamic-mechanical thermal analysis also allowed to identify the thermal transitions in these materials. The swelling capacity of the adhesives varies according to the stoichiometric composition of the copolymers and to the degree of crosslinking of the matrices. When incubated in a PBS solution, these adhesives showed to be hydrolytically unstable, which is consistent with an apparent connection to their swelling capacity and to their degree of crosslinking. This instability allows concluding that films are biodegradable, with a potential to be absorbed by the body.Finally, it was possible to evaluate the behavior of materials with and without incorporation of a model drug in their structures through biocompatibility studies. For this purpose, chlorhexidine was selected because of its bactericidal and bacteriostatic function, thus allowing to study its influence on cell viability and bacterial activity when in contact with the materials. Regarding the adhesives without drug, most of them showed excellent results, with cellular viability values of almost 100%, even for incubation times of 7 days, which showed that the prepared materials were biocompatible. It was also concluded that the presence of chlorhexidine affected the viability of the cells. In turn, the studies related to bacterial activity revealed as expected, that drug-loaded adhesives presented bactericidal characteristics, useful not only in minimization, but also in infection prevention.In light of the results obtained, it may be concluded that the new synthesized adhesives present promising characteristics for their use in surgery. Nevertheless, further characterization tests will still be required in order to ensure their safe applicability