Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/10564

TitleSome hints on using surface phenomena for the design and performance optimization of distinct biomedical devices
Author(s)López Pérez, Paula M.
Advisor(s)Reis, R. L.
Pashkuleva, Iva Hristova
Issue date30-Apr-2010
Abstract(s)The surface properties of materials in contact with biological systems play a key role in determining the outcome of biological-material interactions. Most of the conventional materials do not meet simultaneously the demands required for biomaterials surface and bulk properties. An effective approach for optimizing biomaterials performance is to modify the surface of a specific material which already has excellent functionality and bulk properties. Anionic scaffolds have been investigated in order to create tissue engineering substitutes mainly because of their capability to facilitate morphogenetic processes. For example, the negative charge of glucosaminoglycans (GAGs) is associated with their bioactivity via interaction with the positively charged amino groups of extracellular proteins. On the other hand, it is also reported that many bone promoting proteins naturally interact with acidic polymers. This thesis addresses the influence of such anionic, acidic groups on the surface of biomedical devices. In a first approach, plasma induced polymerization of vinyl monomers with pendent acidic moieties on chitosan membranes (2D) is described (Chapter 3). Acrylic acid and vinyl sulfonic acid was used to introduce respectively, carboxylic or sulfonic groups on the surface. A plasma activation method was chosen because it does not influence the bulk attributes of the material. On the other hand, carboxylic and sulfonic groups were studied because they are present as the major anionic functional groups on natural GAGs structures. In Chapter 4, the same strategy was followed to introduce phosphonic groups on chitosan membranes surface. The importance of the phosphonic groups, mimicking bone promoting proteins and mineral bone matrix, has been recognized before by the biomaterials scientific community. We have demonstrated herein that plasma induced polymerization is an effective methodology for grafting vinyl polymers on 2D chitosan membranes, without modifying the bulk properties of the material. Moreover, we found that the presence of sulfonic and phosphonic groups induced remarkably different osteoblast-like cells (SaOs-2) response in terms of attachment, spreading, viability and proliferation. In Chapter 5, the effectiveness of this surface modification method was tested on 3D structures with complex shapes. For that, the same modification process was used to introduce sulfonic and phosphonic groups on the surface of fiber mesh scaffolds made of a blend of starch and ε-polycaprolactone. We found that grafting of negatively charged units such as sulfonic and phosphonic groups induced rather different response in both protein adsorption from serum and osteoblast-like cells adhesion and proliferation. In the second part of the thesis, ionic thermo-responsive vinyl polymers were synthesized by conventional free radical polymerization. Random terpolymers composed of Nisopropylacrylamide (NIPAAm), 2-Acrylamido-2-methyl-1-propanesulphonic acid (AMPS) and N-tert-butylacrylamide (NTBAAm) were obtained. The technological relevance of this type of polymer relies on their ability to form surfactant-free nanoparticles stabilized by surface charge above the low critical solution temperature (LCST) or to interact with oppositely charged macromolecules, allowing for instance surface modification using techniques of polyelectrolyte layer-by-layer construction. In Chapter 6 the effect of polymer composition, salt and polymer concentration in the aggregation-redissolution behavior in solution was evaluated. Turbidity was used to assess the macroscopic phase separation and dynamic light scattering (DLS) was employed to elucidate some aspects regarding the molecular scale mechanism of the temperature-induced phase separation. The cloud point temperature (CPT) determined by turbidimetry was found to be systematically much higher than the LCST determined by DLS; nanosized aggregates were observed at temperatures between the LCST and the CPT. Both CPT and LCST decreased when increasing the polymer hydrophobicity (molar ratio of NTBAAm). It was found that polymers with higher NTBAAm contents present a slow macroscopic phase separation and the large aggregates formed only redissolve when LCST is reached. This behavior was explained on the basis of a delicate balance between the electrostatic repulsion and the hydrophobic attractive forces, which contribute cooperatively to the formation of metastable nanosized aggregates. In addition, the behavior observed for more hydrophobic polymers was further explored in Chapter 7 as a way to develop a method for the synthesis of thermoresponsive nanoparticles providing a tight control over particle size (between 35 - 200 nm) and that can also be reversibly disentangled at a temperature below the LCST, with recovery of soluble terpolymer chains. The nanoassemblies are formed in aqueous and surfactants free medium. For that, the polymer solution is just maintaining at high temperature for some time and the temperature is decreasing to 21ºC when particles achieve the desired size. This thermoresponsive system may be potentially useful for a range of applications, including drug and gene delivery, biosensing, or separation and purification of biological molecules and cells.
As propriedades superficiais de materiais em contacto com sistemas biológicos têm um papel determinante no resultado das interacções entre os dois meios. A maior parte dos materiais convencionais não obedece simultaneamente aos requisitos exigidos para as propriedades totais e superficiais dos biomateriais. Uma abordagem para a optimização do desempenho de biomateriais consiste na modificação da superfície dum material que já tenha demonstrado possuir propriedades totais e funcionalidade adequadas. Têm havido vários estudos sobre suportes poliméricos aniónicos para a formação de tecidos biológicos de substituição, advogando a sua capacidade de facilitar o processo de morfogénese. No caso dos glicosaminoglicanos (GAGs), carregados negativamente, a bioactividade foi associada a interacções com os grupos amina positivamente carregados das proteínas extracelulares. Por outro lado, também têm sido referido na literatura que muitas das proteínas que promovem a morfogénese óssea interagem naturalmente com polímeros acídicos. Esta tese debruça-se sobre a influência de grupos aniónicos (acídicos) na superfície de dispositivos biomédicos. Numa primeira abordagem, é descrita a polimerização de monómeros vinílicos com grupos funcionais laterais acídicos induzida em membranas de quitosano pré-tratadas por plasma (capítulo 3). Os ácidos acrílico e vinil sulfónico foram usados para introduzir na superfície grupos carboxílicos e sulfónicos, respectivamente. O método de activação por plasma foi escolhido, por não influenciar as propriedades totais dos materiais. Os grupos carboxílicos e sulfónicos foram escolhidos para estudo por serem os grupos funcionais aniónicos mais abundantes nas estruturas naturais dos GAGs. No capítulo 4, foi seguida a mesma estratégia para introduzir grupos fosfónicos na superfície de membranas de quitosano. A importância dos grupos fosfónicos, que mimetizam as proteínas que promovem a morfogénese e a própria matriz mineral do osso, foi anteriormente reconhecida pela comunidade científica dos biomateriais. Nesta tese demonstra-se que a polimerização induzida por plasma é uma metodologia adequada para o enxerto de vários polímeros vinílicos em membranas de quitosano (2D), sem modificar as propriedades totais do material. Também se observou que a presença de grupos sulfónicos e fosfónicos se traduz em diferenças notáveis na resposta celular de células do tipo osteoblasto (SaOs-2) em termos de adesão, morfologia, viabilidade e proliferação. No capítulo 5, a eficácia deste método de modificação superficial foi testada em estruturas 3D com formas mais complexas. O mesmo método de modificação foi usado para introduzir grupos sulfónicos e fosfónicos na superfície de suportes para engenharia de tecidos à base de fibras de uma mistura polimérica de amido e ε- policaprolactona. Concluiu-se que o enxerto de cadeias poliméricas com grupos sulfónicos e fosfónicos induzem um resposta diferente tanto em termos de adsorção de proteínas do soro, como, de adesão e proliferação de células do tipo osteoblasto. Na segunda parte da tese foram sintetizados polímeros iónicos com resposta à temperatura por métodos convencionais de polimerização radical, obtendo-se terpolímeros aleatórios compostos por N-isopropilacrilamida (NIPAAm), ácido 2- acrilamida-2-metil-1-propanosulfónico (AMPS) e N-tert-butilacrilamida (NTBAAm). A relevância tecnológica deste tipo de polímeros está relacionada com a sua capacidade para formar nanopartículas, sem recurso a surfactantes, estabilizadas pela carga superficial quando acima da temperatura crítica de solubilidade inferior (LCST); ou pela sua capacidade de interagir com macromoleculas com carga oposta, permitindo, por exemplo, a modificação de superfícies por deposição electrostática alternando camadas de carga oposta. No capítulo 6, foi avaliado o efeito da composição do polímero e das concentrações de sal e polímero na agregação e redissolução. A separação de fases foi avaliada macroscopicamente pelo aparecimento de turbidez. Alguns dos aspectos dos mecanismos moleculares inerentes à separação de fases induzida pelo aumento da temperatura foram revelados por difusão dinâmica de luz (DLS). A temperatura de turvação (CPT), determinada por turbidimetria, foi sistematicamente superior à LCST determinada por DLS; agregados à escala nanométrica foram observados entre a LCST e a CPT. Tanto a CPT como a LCST diminuíram com o aumento da hidrofobicidade (fracção molar de NTBAAm). Polímeros com maior conteúdo em NTBAAm apresentaram uma separação de fases lenta a nível macroscópico, e os agregados de “grandes” dimensões entretanto formados apenas redissolveram quando arrefecidos abaixo da LCST. Este comportamento, observado para os polímeros mais hidrófobos, foi usado no capítulo 7 para desenvolver um método de síntese de nanopartículas com resposta à temperatura, permitindo um alto controlo sobre o tamanho de partícula (entre 35 - 200 nm). Para isso, a solução de polímero foi mantida a temperatura elevada durante algum tempo e, quando as partículas atingiram o tamanho especificado, arrefecida a 21 ºC. Estas construções nanométricas são formadas em meio aquoso, sem recurso a surfactantes, e podem ser desagregadas reversivelmente a temperatura inferior à LCST, levando à redissolução das cadeias poliméricas. Este sistema com resposta à temperatura tem alto potencial para um conjunto de aplicações tão diversas como a administração localizada de fármacos e genes, o desenvolvimento de biosensores, ou a separação e a purificação de macromoléculas biológicas ou de células.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia Biomédica
URIhttp://hdl.handle.net/1822/10564
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento

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