Mechanical restoration and failure analyses of a hydrogel and scaffold composite strategy for annulus fibrosus repair

Unrepaired defects in the annulus fibrosus of intervertebral disks are associated with degeneration and persistent back pain. A clinical need exists for a disk repair strategy that can seal annular defects, be easily delivered during surgical procedures, and restore biomechanics with low risk of herniation. Multiple annulus repair strategies were developed using poly(trimethylene carbonate) scaffolds optimized for cell delivery, polyurethane membranes designed to prevent herniation, and fibrin-genipin adhesive tuned to annulus fibrosus shear properties. This three-part study evaluated repair strategies for biomechanical restoration, herniation risk and failure mode in torsion, bending and compression at physiological and hyper-physiological loads using a bovine injury model. Fibrin-genipin hydrogel restored some torsional stiffness, bending ROM and disk height loss, with negligible herniation risk and failure was observed histologically at the fibrin-genipin mid-substance following rigorous loading. Scaffold-based repairs partially restored biomechanics, but had high herniation risk even when stabilized with sutured membranes and failure was observed histologically at the interface between scaffold and fibrin-genipin adhesive. Fibrin-genipin was the simplest annulus fibrosus repair solution evaluated that involved an easily deliverable adhesive that filled irregularly-shaped annular defects and partially restored disk biomechanics with low herniation risk, suggesting further evaluation for disk repair may be warranted. Statement of significance Lower back pain is the leading cause of global disability and commonly caused by defects and failure of intervertebral disk tissues resulting in herniation and compression of adjacent nerves. Annulus fibrosus repair materials and techniques have not been successful due to the challenging mechanical and chemical microenvironment and the needs to restore biomechanical behaviors and promote healing with negligible herniation risk while being delivered during surgical procedures. This work addressed this challenging biomaterial and clinical problem using novel materials including an adhesive hydrogel, a scaffold capable of cell delivery, and a membrane to prevent herniation. Composite repair strategies were evaluated and optimized in quantitative three-part study that rigorously evaluated disk repair and provided a framework for evaluating alternate repair techniques.

Propriedades físico-químicas e mecânicas de membranas porosas de carboximetilquitosana e hidrogéis de quitosana para aplicação em engenharia de tecidos

Este trabalho teve como principal objetivo produzir membranas porosas de carboximetilquitosana e hidrogéis de quitosana com propriedades físico-químicas e mecânicas adequadas para aplicações em Engenharia de Tecidos. Para isso, quitosanas com diferentes graus de acetilação (4,0%<GA<40%) e de elevada massa molar média viscosimétrica (Mv>750.000 g.mol-1) foram produzidas através da aplicação de processos consecutivos de desacetilação assistida por irradiação de ultrassom de alta intensidade (DAIUS) à beta-quitina extraída de gládios de lulas Doryteuthis spp. A carboximetilação de quitosana extensivamente desacetilada (Qs-3; GA=4%) foi realizada pela reação com ácido monocloroacético em meio isopropanol/solução aquosa de NaOH, gerando a amostra CMQs-0 (GS≈0,98; Mv≈190.000 g.mol-1). A irradiação de ultrassom de alta intensidade foi empregada para tratar solução aquosa de CMQs-0 durante 1 h e 3 h, resultando nas amostras CMQs-1 (Mv≈94.000 g.mol-1) e CMQs-3 (Mv≈43.000 g.mol-1), respectivamente. Para a produção de membranas reticuladas, genipina foi adicionada em diferentes concentrações (1,0x10-4 mol.L-1, 3,0x10-4 mol.L-1 ou 5,0x10-4 mol.L-1) às soluções aquosas das CMQs, que foram vertidas em placas de Petri e a reação de reticulação procedeu por 24 h. Em seguida, as membranas reticuladas (M-CMQs) foram liofilizadas, neutralizadas, lavadas e liofilizadas novamente, resultando em nove amostras, que foram caracterizadas quanto ao grau médio de reticulação (GR), grau médio de hidratação (GH), morfologia, propriedades mecânicas e quanto à susceptibilidade à degradação por lisozima. O grau médio de reticulação (GR) foi tanto maior quanto maior a concentração de genipina empregada na reação, variando de GR≈3,3% (M-CMQs-01) a GR≈17,8% (M-CMQs-35). As análises de MEV revelaram que as membranas reticuladas M-CMQs são estruturas porosas que apresentam maior densidade de poros aparentes quanto maiores os valores de Mve GR. Entretanto, as membranas preparadas a partir de CMQs de elevada massa molar (Mv>94.000 g.mol-1) e pouco reticuladas (GR<10%), apresentaram propriedades mecânicas superiores em termos de resistência máxima à tração (>170 kPa) e elongação máxima à ruptura (>40%). Por outro lado, as membranas mais susceptíveis à degradação enzimática foram aquelas preparadas a partir de CMQs de baixa massa molar (Mv≈43.000 g.mol-1) e que exibiram baixos graus de reticulação (GR<11%). Hidrogéis estáveis de quitosana sem o uso de qualquer agente de reticulação externo foram produzidos a partir da gelificação de soluções aquosas de quitosana com solução de NaOH ou vapor de NH3. Os hidrogéis produzidos a partir de soluções de quitosana de elevada massa molar média ponderal (Mw≈640.000 g.mol-1) e extensivamente desacetilada (DA≈2,8%) em concentrações poliméricas acima 2,0%, exibiram melhores propriedades mecânicas com o aumento da concentração polimérica, devido à formação de numerosos emaranhamentos físicos das cadeias poliméricas em solução. Os resultados mostram que as propriedades físico-químicas e mecânicas dos hidrogéis de quitosana podem ser controladas variando a concentração do polímero e o processo de gelificação. A avaliação biológica de tais hidrogéis para a regeneração de miocárdio infartado de ratos revelou que os hidrogéis de quitosana preparados a partir de soluções de polímero a 1,5% foram perfeitamente incorporados sobre a superfície do epicárdio do coração e apresentaram degradação parcial acompanhada por infiltração de células mononucleares.

Preparação e caracterização de micro/nanopartículas de quitosano para libertação de cisplatina

Nos últimos anos, a crescente necessidade de desenvolvimento de novos e inovadores sistemas para a libertação de fármacos, tem levado a comunidade científica à pesquisa de novos materiais, maioritariamente de origem polimérica. O aparecimento destes materiais abre novas possibilidades aos campos de investigação da medicina e farmacologia, uma vez que os polímeros podem ser facilmente modificados (por reticulação física ou química) e processados nas mais diversas formas. Entre os novos materiais estudados encontra-se o quitosano, um polímero de origem natural extraído das carapaças de animais marinhos. O quitosano tem sido exaustivamente investigado devido a um conjunto de características, como biocompatibilidade, biodegradabilidade e ausência de toxicidade. O objectivo do presente trabalho consiste na preparação de microsferas de quitosano pelo método de emulsão água-em-óleo, seguido de reticulação, para utilização como sistemas de libertação de fármacos. Após análise da literatura disponível, verifica-se que existe um hiato de informação sobre o impacto das condições iniciais da preparação de microsferas nas suas características de tamanho e forma, pelo que se considerou importante colmatar a presente falta com este estudo, uma vez que o conhecimento da morfologia das microsferas preparadas é fulcral para estudos de difusão. Em estudos de libertação de fármacos, o quitosano geralmente apresenta elevadas taxas de difusão e biodegradação, juntamente com reduzidas propriedades mecânicas. Na tentativa de melhorar estas propriedades, as microsferas de quitosano são reticuladas quimicamente com genipin, um reticulante de origem natural. Para o estudo do impacto das variáveis de entrada no tamanho e na morfologia das microsferas, variou-se a concentração de quitosano, a concentração de genipin e a velocidade de agitação da emulsão água-em-óleo, pois na informação existente na literatura está patente que estas são as variáveis mais relevantes. Depois de obtidas as microsferas, foram recolhidas imagens com uma camara de alta resolução acoplada a um microscópio óptico, sendo que a dimensão e a morfologia destas foi analisada por análise de imagem, com recurso ao software de imagem ImageJ®. Foram medidos os parâmetros de tamanho, designadamente o diâmetro equivalente, o perímetro e os diâmetros de Feret (máximo e mínimo), e os parâmetros de forma: a circularidade e o factor de forma (AR). Os resultados obtidos mostram que o diâmetro equivalente das microsferas de quitosano reticuladas com genipin (bem como todas as restantes propriedades de tamanho) diminui com a diminuição quer da concentração de polímero quer da concentração de reticulante. O aumento da velocidade de agitação da emulsão também se reflecte numa diminuição da dimensão das microsferas. As variáveis de entrada não aparentam ter qualquer tipo de impacto sobre as características de forma, embora os resultados indiciem que as microsferas mais pequenas, de menor diâmetro equivalente são as que, aparentemente, apresentam maior esfericidade. Estes resultados, de natureza qualitativa, foram consolidados por recurso a Análise de Variância (ANOVA)

Micropartículas contendo nanopartículas de quitosana usando sulfato e genipina para liberação modificada da triancinolona: obtenção, caracterização e estudo em células tumorais

Chitosan is a polymer biocompatibility and biodegradability widely used in drug delivery systems. The co-crosslinking of chitosan with sodium sulfate and genipin, to form particulate systems is related of making them more resistant to acidic pH and to modulate the release kinetics for the oral route. Triamcinolone is a glucocorticoid with anti-inflammatory and immunosuppressive actions. The nanoparticles were prepared by co-crosslinking and characterized for particle size, PDI, zeta potential, crosslinking degree, encapsulation rate, morphology, infrared spectroscopy, thermal analysis, release kinetics and cells studies. The nanoparticles were prepared initially without genipin with sodium sulphate and the particles parameters were monitored in function of different ratio of drug / polymer, different concentrations of sodium sulfate and polysorbate 80 and the drip mode of crosslinkers on polymers. After optimizing conditions, the chosen system parameters without genipin included mean diameter of 312.20 ± 5.70 nm, PDI 0.342 ± 0.013 and zeta potential of 20.18 ± 2.28 mV. The genipin was introduced into the system analyzing different concentrations (0.5, 1.0 and 2.0 mM) and crosslinking times (3, 6, 12 and 24 h). Evaluating crosslinking time with genipin (0.5 mM) it was showed that varying the genipin reaction time the systems size ranged from 235.1 to 334.4 nm, the PDI from 0.321 to 0.392 and zeta potential 20.92 to 30.39 mV. The crosslinking degree that coud vary from 14 to 30 %. Nanoparticles without genipina, 6 h and 24 h crosslinking time were dried by spray-drying method. Analysis by scanning electron micrograph (SEM) revealed that the microparticles showed spherical morphology. The encapsulation rate was 75 ± 2.3 % using validated HPLC methodology. The infrared analysis showed chemical interactions between the components of the formulation. Thermal analysis showed that systems with a higher degree of crosslinking had a higher thermal stability. On release kinetics, increasing the degree of crosslinking was able to decrease the concentration and rate of release of triamcinolone. In studies with liver cancer cells (HepG2) and colon (HT-29), the microparticulate prepared with triamcinolone and 24 h of crosslinking with genipin showed a potential for antitumor activity in hepatic cell line HepG2. Therefore, a new delivery system for triamcinolone on polymeric nanoparticles of chitosan cocrosslinked with genipin and sodium sulfate was obtained with hepatic antitumor potential.

Desenvolvimento e caraterização de hidrogéis físicos e químicos a partir de polissacarídeos naturais

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016