Preparation of membranes based on electrospun coaxial fibers

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaGuided bone regeneration membranes are used, not only as a barrier during the bone tissue regeneration, against the invasion of epithelial tissue cells but, to improve the bone tissue regeneration by creating support for the bone cells fixing and development. In periodontal regeneration procedures, these membranes are used to repair support structures, many times damaged by infections or traumas, and as temporary models. This type of membranes are produced using several materials in order to combine its greatest properties considering its application. Biodegradable polymers are used since the membrane is intended to degrade upon tissue regeneration, drugs can be incorporated in the polymers with (e.g.) anti-inflammatory or antibiotic properties. The present study aims to synthetize membranes combining electrospinning and photoreticulation procedures using two different approaches, to use as membranes for the guided bone regeneration. For the two approaches were used two biomaterials: gelatin, as natural polymer, and a polycaprolactone (PCL), as synthetic polymer. First, in order to incorporate the carbon double bonds, the gelatin was functionalized with methacrylic anhydride. The polymer solutions of PCL and GelMA were prepared for both approaches, with the difference in GelMA for the second approach, where it was incorporated the photoinitiator Irgacure® 2959. Then, fibers with a PCL core and GelMA sheath were produced by coaxial electrospinning and subjected to photoreticulation. In the first approach, the synthetized membranes were dipped in an aqueous solution of Irgacure® 2959 and then irradiated with UV radiation. In the second approach the photoinitiator was already incorporated in the fibers therefore, the membrane was placed in a humid and saturated atmosphere and after exposed to UV radiation. Lastly, were evaluated the chemical, physical, thermic and biological properties of the membranes. Chemical composition of the membranes was evaluated by Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H RMN), confirming the characteristic bonds of each polymer in both membranes. Thermogravimetric analysis (TGA) evaluated the thermic stability of membranes.The fibers in the membranes were randomly disposed with diameters in the micrometer scale observed though scanning electron microscopy (SEM).Membranes weight loss was evaluated throughout 3 incubation days in MiliQ water, PCL/GelMA membranes exhibited the highest weight loss compared to photoreticulated membranes and PCL/GelMA UV membranes showed higher degradation time.Fibroblast cells, when in contact with PCL/GelMA photoreticulated membranes and PCL/GelMA+Irgacure photoreticulated membranes in cell viability tests showed suitable results showing the capacity to adhere and proliferate.Once the Irgacure® 2959 is in the sheath of the fibers, it absorbs the same wavelength that Flurbiprofen that is found in the membrane at 1% along with the PCL in the core fiber therefore, the analysis of the drug release was inconclusive.The present results suggest that the produced membranes, particularly the PCL/GelMA photoreticulated membranes, own characteristics with potential to be used as membranes for the guided bone regeneration.As membranas de regeneração óssea guiada são membranas usadas não só como barreira, para que as células do tecido epitelial não invadam as do tecido ósseo, enquanto este regenera, mas também para melhorar a regeneração criando suporte às células para que se fixem e desenvolvam. Estas são usadas em procedimentos de regeneração periodontal com o objetivo de restaurar as estruturas de suporte, que muitas vezes são danificadas devido a infeções ou traumas, sendo usadas como modelos temporários. São vários os materiais usados para produzir este tipo de membranas a fim de combinar as melhores propriedades, tendo em conta a aplicação em causa. São usados polímeros biodegradáveis, com ou sem incorporação de fármaco, uma vez que se pretende que a membrana se degrade aquando da regeneração do tecido. O fármaco incorporado tem o objetivo de atuar como anti-inflamatório, antibiótico, entre outros, dependendo do que se pretende. O objetivo deste trabalho está em produzir membranas por combinação de métodos de electrospinning e fotoreticulação usando duas abordagens diferentes, para aplicação como membranas de regeneração óssea guiada. Para as duas abordagens os biomateriais usados foram a gelatina, que é um polímero natural, e a policaprolactona (PCL), polímero sintético. Numa fase inicial a gelatina foi funcionalizada com anidrido metacrílico, com o objetivo de incorporar ligações duplas de carbono, para obter a GelMA, de forma a serem posteriormente usadas para reticular as membranas. Na primeira abordagem, foram preparadas as soluções poliméricas de PCL e GelMA, assim como na segunda abordagem, com a diferença que na solução de GelMA foi incorporado o fotoiniciador Irgacure® 2959. De seguida são produzidas as fibras por electrospinning coaxial, sendo o núcleo constituído pela PCL e o revestimento por GelMA. Ambas as membranas foram sujeitas ao processo de fotoreticulação. Na primeira abordagem, este método foi realizado mergulhando a membrana, já produzida, numa solução de Irgacure® 2959 e depois sujeita a irradiação UV. Na segunda abordagem, uma vez que o fotoiniciador já se encontrava incorporado nas fibras, a membrana foi colocada numa atmosfera húmida saturada e só depois foi exposta a irradiação UV. Por fim, foram avaliadas as propriedades químicas, físicas, térmicas e biológicas das membranas.A composição química foi avaliada por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier com reflexão total atenuada (ATR-FTIR) e espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (1H RMN), as quais permitiram confirmar as ligações características de cada polímero em ambas as membranas. Pela análise termogravimétrica (TGA) avaliou-se a estabilidade térmica das mesmas.Através da técnica de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) observou-se a disposição das fibras nas membranas, sendo estas apresentadas de uma forma aleatória, tendo uma distribuição de diâmetros na ordem dos micrómetros.A perda de massa foi avaliada durante 3 dias de incubação em água MiliQ. As membranas de PCL/GelMA foram as que exibiram maior diferença de perda de massa e quando comparadas as membranas fotoreticuladas, a de PCL/GelMA UV é a que demonstra ter um maior tempo de degradação.Os testes de viabilidade celular mostraram resultados satisfatórios na medida em que as células de fibroblastos humanos, quando em contacto com as membranas de PCL/GelMA fotoreticuladas e de PCL/GelMA+Irgacure fotoreticuladas, têm a capacidade de aderir e proliferar.O estudo da libertação de fármaco não foi conclusivo, uma vez que o Irgacure® 2959, que se encontra no revestimento das fibras, absorve o mesmo comprimento de onda que o Flurbiprofeno, que se encontra na membrana apenas a 1% junto com a PCL na fibra do núcleo.Perante os resultados exibidos, conclui-se que as membranas produzidas, principalmente as de PCL/GelMA fotoreticuladas, possuem características com potencial para serem aplicadas como membranas de regeneração óssea guiada