Production of asymetric electrospun membranes for skin regeneration

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaZonas danificadas na pele resultantes de traumatismos, queimaduras ou feridas diabéticas são usualmente reparadas recorrendo à utilização de enxertos de pele. Os problemas associados à abordagem tradicional criaram a necessidade da pesquisa por novas alternativas. Apesar de existirem diferentes materiais a ser desenvolvidos para esta finalidade, há um especial destaque para as matrizes fibrosas tridimensionais (scaffolds) biodegradáveis produzidas por electrospinning. Estas possuem características únicas como a porosidade e microestrutura necessárias para o crescimento de um novo tecido. O objetivo da presente dissertação é a produção de membranas fibrosas assimétricas com uma camada externa composta por polímero sintético (policaprolactona) e uma camada interna composta por polímeros naturais (gelatina e quitosano) e antibiótico moxifloxacina, recorrendo à técnica electrospinning por blending. O scaffold resultante combina as propriedades mecânicas e hidrofóbicas da PCL, necessárias para a proteção da ferida, as propriedades favoráveis à adesão celular da gelatina e as propriedades antimicrobianas do quitosano. A camada composta por polímeros naturais apresentam ainda elevada biocompatibilidade e carácter hidrofílico. A adição do antibiótico moxifloxacina auxilia na proteção da zona danificada de infeções bacterianas.De modo a aumentar a resistência mecânica dos polímeros naturais e retardar dissolução da camada interna começou-se pela realização da reação de modificação da gelatina e do quitosano, utilizando anidrido metacrílico. Desta reação resultam os polímeros modificados (GelMA e QSMA), contendo o grupo metacrilamida na sua estrutura. É a introdução deste grupo que permite a reticulação da camada composta por GelMA e QSMA quando mergulhada numa solução de Irgacure® 2959 e sujeita à radiação UV.Após a obtenção da GelMA e QSMA foram preparadas as soluções a introduzir no electrospinning. Foram produzidas membranas apenas com PCL, apenas com GelMA e QSMA, membranas assimétricas contendo as duas camadas (com e sem fotoreticulação), e membranas assimétricas com moxifloxacina fotoreticuladas. Por fim foram realizados testes de modo a estudar as propriedades físico-químicas, morfológicas, térmicas e biológicas das matrizes desenvolvidas.A análise de RMN permitiu verificar que ocorreu a reação de modificação tanto da gelatina como do quitosano. Os espetros de FTIR-ATR comprovaram a presença dos diferentes polímeros usados na produção das membranas. Nas membranas assimétricas reticuladas a identificação dos polímeros naturais não foi possível devido à menor quantidadepresente após o processo de reticulação, que é responsável pela dissolução de parte desta camada. As imagens de SEM permitiram observar a presença de beads (“grânulos”), principalmente nas fibras de PCL, e concluir que o diâmetro médio das fibras de PCL é superior ao das fibras de GelMA e QSMA. Relativamente ao ângulo de contacto dinâmico, confirmou a hidrofobicidade da membrana de PCL e a hidrofilicidade da membrana de GelMA e QSMA. Os ensaios de perda de massa mostraram que a PCL não sofre dissolução em meio aquoso e que as membranas com GelMA e QSMA reticulados apresentam menor percentagem de perda de massa que as mesmas membranas não reticuladas, indicando que ocorreu a reação de reticulação. Quanto à análise termogravimétrica, concluiu-se que as membranas finais são termicamente estáveis, podendo ser sujeitas a elevadas temperaturas sem comprometer as propriedades dos materiais. Os testes de biocompatibilidade mostraram que os fibroblastos dermais proliferam quando em contacto com os materiais, mostrando que estes são biocompatíveis. Por fim, os ensaios de libertação da moxifloxacina indicaram uma maior libertação nas primeiras 8h de contacto com o meio, sendo que a partir desse momento a libertação se dá a uma taxa menor até ao décimo quarto dia.Apesar de serem necessários vários ajustes e a otimização de todos os parâmetros envolvidos no processo, os resultados alcançados indicam que as membranas assimétricas de PCL, GelMA, QSMA e moxifloxacina têm potencial para a aplicação em feridas cutâneas.Skin damaged areas, caused by traumatisms, skin burns or diabetic wounds are currently treated using the graft technique. The problems associated to this traditional approach have created the need of research for new alternatives. Despite the different materials that had been developed to this application, there is a especial emphasis on biodegradable three-dimensional fibrous matrices (scaffolds) produced by the electrospinning technique. These have unique characteristics such as its porosity and microstructure required to the new tissue growing.The aim of this work is the production of fibrous asymmetric membranes with an outer layer composed by the synthetic polymer polycaprolactone and an inner layer composed by natural polymers (gelatin and chitosan) and antibiotic moxifloxacin, using the blending electrospinning technique. The resulting scaffold combines the mechanical and hydrophobic properties of PCL, needed to the wound protection, gelatin cell adhesion properties and chitosan antimicrobial properties. The layer composed by natural polymers also has excellent biocompatibility and hydrophilic characteristics. The addition of moxifloxacin protects the damaged area from bacterial infections.In order to increase the mechanic resistance of the natural polymers and delay the dissolution of que inner layer, was carried out the reaction of modification of gelatin and chitosan using methacrylic anhydride. From this reaction resulted the modified polymers (GelMA and QSMA), containing the methacrylic groups. The introduction of this group allows the crosslinking reaction of the GelMA and QSMA layer, when immersed in an Irgacure® 2959 solution and subjected to UV radiation.After obtaining the GelMA and QSMA, the solutions were ready to be introduced in electrospinning. There were produced PCL membranes, GelMA and Chitosan membranes, asymmetric membranes containing the two layers (with and without photocrosslinking), and photocrosslinked asymmetric membranes with moxifloxacin. Tests were carried out for all membranes, in order to study their physical, chemical, morphological, thermal and biological properties. The NMR analysis showed that the reaction of modification of both gelatin and chitosan occurred. The FTIR-ATR spectra confirmed the presence of the different polymers used to produce the membranes. In crosslinked asymmetric membranes the identification of the natural polymers was not possible due to the smaller amount present after the crosslinking process, which is responsible for the dissolution of part of this layer. The SEM images allowed to observe the presence of beads, mainly in the PCL fibers, and to conclude that the averagediameter of the PCL fibers is superior in the GelMA and QSMA fibers. The dynamic water contact angle measurements confirmed the hydrophobicity of the PCL membrane and a hydrophilicity of the GelMA and QSMA membrane. The weight loss study showed that PCL does not dissolve in the aqueous medium and that the membranes with crosslinked GelMA and QSMA presented lower percentage of weight loss than their non-crosslinked counterparts, proving that the crosslinking reaction occurred. The thermogravimetric analysis showed that final membranes are thermally stable, allowing be subjected to high temperatures without compromising the properties of the materials. The biocompatibility tests showed that dermal fibroblasts proliferate when in contact with the materials, proving their biocompatibility. Finally, the drug release study indicated a higher release in the first 8 hours of contact with the medium, and a lower rate until the fourteenth day.Although several adjustments and optimization of all parameters involved in the process are required, the results indicate that asymmetric membranes of PCL, GelMA, QSMA and moxifloxacin are suitable for application in skin wounds