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Estudio de la degradabilidad de materiales poliméricos biodegradables irradiados
Degradability studies of irradiated biodegradable polymers
Los polímeros biodegradables poli-L-láctico (PLLA) y polihidroxibutirato (PHB) se han utilizado recientemente para ingeniería de tejidos, debido a su biodegradabilidad, sus muy buenas propiedades mecánicas y velocidad de degradación apropiada, comparable con el tiempo de recuperación de tejidos humanos dañados. Sin embargo, tienen una gran limitación en la compatibilidad con las células. Sus superficies altamente hidrofóbicas hacen que sea muy difícil cultivar células sobre ellas pues no presentan buena adhesión. En los últimos años, la irradiación con haces de iones se ha aplicado para modificar la superficie de polímeros con el fin de mejorar la compatibilidad con sangre y tejidos debido a que permite la creación de grupos polares sobre su superficie aumentando su carácter hidrofílico y favoreciendo, de esta manera, la adhesión de componentes biológicos. Está demostrado que la irradiación con iones produce un notable incremento de la adhesión y proliferación de células sobre la superficie del polímero, con lo que se mejora la biocompatibilidad. La aplicación de iones pesados rápidos permite controlar, variando la energía y el tipo de ión, los parámetros de la región dañada: profundidad en el material, intensidad de daño y las dimensiones del diámetro de la traza latente. Si bien esta mejora en la biocompatibilidad de los polímeros es necesaria para su aplicación como sustratos en ingeniería de tejidos, es deseable que las modificaciones producidas con el tratamiento no disminuyan su degradabilidad. En este trabajo se irradiaron los polímeros poli-L-láctico (PLLA) y polihidroxibutirato (PHB) con haces de iones pesados (C y S) de distintas energías y fluencias para modificar sus propiedades hidrofóbicas. Luego de la irradiación, se estudiaron las modificaciones de la superficie irradiada y se evaluó si se produjo algún cambio significativo en la degradabilidad de los polímeros, para lo cual las muestras irradiadas y las no irradiadas fueron sometidas a dos tipos de ensayos de degradación in vitro, uno en condiciones fisiológicas y el otro en presencia de un enzima. La superficie de los polímeros irradiados y degradados fue estudiada por: Microscopía electrónica de barrido en modo ambiental (ESEM), Espectroscopía de infrarrojo con transformadas de Fourier con sistema de Reflectancia Total Atenuada (FTIR-ATR), Microespectroscopía infrarroja con transformadas de Fourier (Micro-FTIR), por medio del ángulo de contacto y por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). Por otro lado se evaluaron también las propiedades térmicas de los polímeros modificados mediante análisis termogravimétrico (TGA-DTA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Para estudiar la degradabilidad de las muestras incubadas in vitro, además de las técnicas ya mencionadas se estudió el porcentaje de pérdida de peso y se realizó el análisis de peso molecular viscosimétrico. Los resultados demostraron que el efecto predominante de la irradiación en los polímeros fue el corte de cadenas y la consecuente amorfización con un aumento del carácter hidrofílico de las superficies, lo cual, de acuerdo a la literatura, mejora la adhesión y proliferación celular. Por otro lado, se determinó que la irradiación aumenta la degradabilidad de los polímeros in vitro.
The biodegradables polymers Poly (L-lactic acid) and Poly (hydroxybutyrate) have been recently used for tissue engineering due to their biodegradability, very good mechanical properties and appropriate degradation rate comparable with the regenerative rate of damaged human tissues. However, they have an important limitation regarding the compatibility with the cells. Their surfaces are highly hydrophobic and this makes the surfaces not good for cell attachment so it is very difficult to grow cells on them. In recent years, ion beam irradiation has been applied to modify the polymers surfaces in order to improve the compatibility with blood and tissues. The creation of polar groups on their surfaces increases their hydrophilic character favouring, thereby, the adhesion of biological components. Several studies have demonstrated that cellular adhesion and proliferation can be improved by this treatment. The application of swift heavy ion beam irradiation allows control the parameters of the modified areas such as depth in the material, intensity of the hurt and latent track dimension, changing the ion type and its energy. Though this improvement in the biocompatibility of polymers is necessary to its application in tissue engineering, it should not affect the degradation of biomaterials. In this work the polymers Poly (L-lactic acid) and Poly(hydroxybutyrate) were irradiated with swift heavy ion (S and C) with various fluencies and energies in order to modify their hydrophobic properties. After irradiation, the modified surfaces and the degradability of the polymers were studied to evaluate if some change had taken place. For this purpose, the pristine and irradiated polymers were degraded in vitro by two different assays, one in physiological conditions and another by incubation with enzymes. The surfaces of the irradiated and degraded polymers were studied with Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Contac angle measurements and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). On the other hand, the thermal properties of the modified polymers were evaluated with Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Thermal Analysis (DTA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). In order to study the degradability of the incubated in vitro samples, besides the techniques previously mentioned, the weight loss analysis and the determination of the viscosimetric molecular weight were done. Results demonstrated that the predominant irradiation effect in the polymers was the chain scission with the consistent amorphization and an increas of the hydrophilic character of the surfaces. On the other hand, it was determined that the irradiation enhanced the in vitro degradability of the polymers.
Tesis para optar al título de Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales. Director/es: del Grosso, Mariela; Durán, Hebe