Desenvolvimento de hidrogéis biocompatíveis com degradação controlada por luz visível para aplicação em feridas

Abstract

Atualmente, nenhum penso utilizado clinicamente em feridas crónicas, mais especificamente em queimaduras, providencia adesão, hidratação, força mecânica semelhante à matriz extracelular natural (MEC) da pele e capacidade de ser removido sem causar trauma. Os hidrogéis surgem como uma alternativa promissora devido à sua capacidade de manter um ambiente húmido no local da ferida e, ao mesmo tempo, absorver o exsudato, às suas propriedades mecânicas versáteis e à competência de proteção contra infeções bacterianas. Os hidrogéis estímulo responsivos trazem a possibilidade de controlar a degradação dos hidrogéis, sem causar dor ao doente, colmatando uma das maiores desvantagens dos pensos tradicionais. Os hidrogéis foto responsivos são uma excelente opção devido às características inócuas da luz visível para os tecidos humanos. Utilizou-se a reação de click para sintetizar os hidrogéis, ao fazer reagir o polietilenoglicol funcionalizado com a polietilenoimina (PEI), resultando em uma ligação estéreo especifica de β-aminoacrilato facilmente clivável por oxigénio singleto (1O2). A caracterização química dos precursores foi realizada por ressonância magnética nuclear de protão (1H NMR) e espetroscopia de transformada de Fourier no infravermelho, no modo de refletância total atenuada (ATR-FTIR). O impacto do peso molecular da PEI nas propriedades dos hidrogéis foi determinado. Os hidrogéis apresentam uma capacidade de inchaço entre 139% e 404% o seu peso inicial, dependendo do peso molecular da PEI e da percentagem em massa utilizado na síntese dos hidrogéis. A caracterização das propriedades mecânicas revelou uma resistência à compressão máxima de 139.3 kPa. O ensaio de adesão revelou que os hidrogéis aderem à superfície do tecido com uma força média entre 1.6 e 5.2 N/cm2. A morfologia de superfície e a capacidade de eliminação de ROS pelo hidrogel foi também analisada. Esta dissertação propõe um mecanismo promissor para facilitar a degradação dos hidrogéis inspirado na terapia fotodinâmica. O mecanismo baseia-se na incorporação de um fotossensibilizador (PS) dentro da matriz polimérica do hidrogel. Após irradiação com um comprimento de onda adequado, o PS gera 1O2 capaz de degradar as ligações β-aminoacrilato presentes na estrutura do hidrogel. O sucesso do mecanismo proposto foi investigado quimicamente por ATR-FTIR. As propriedades físicas dos hidrogéis após irradiação foram avaliadas através da análise das propriedades mecânicas, da morfologia de superfície, da geração de 1O2 in vitro e através de testes de degradação por ação da luz e do pH. Uma perda visível das propriedades do hidrogel ocorre após irradiação, confirmando a capacidade promissora de dissolução in situ do hidrogel. Estudos de citocompatibilidade foram efetuados nos hidrogéis com e sem irradiação, destacando a boa citocompatibilidade e segurança dos hidrogéis sintetizados com PEI1.8k e 30% wt. após serem irradiados.

Currently, no dressing used clinically in chronic wounds, more specifically in burns, provides adhesion, hydration, mechanical strength similar to the natural extracellular matrix (ECM) of the skin and the ability to be removed without causing trauma. Hydrogels emerge as a promising alternative due to their ability to maintain a moist environment at the wound site while absorbing the exudate, their versatile mechanical properties and their ability to protect against bacterial infection. Stimuli-responsive hydrogels bring the possibility to control hydrogel degradation without causing pain to the patient, addressing one of the major drawbacks of traditional dressings. Photo-responsive hydrogels are an excellent option due to the innocuous characteristics of visible light to human tissues. The click reaction was used to synthesize the hydrogels by making functionalized polyethylene glycol react with polyethyleneimine (PEI) resulting in a stereospecific β-aminoacrylate bond easily cleavable by singlet oxygen (1O2). Chemical characterization of the precursors was performed by proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) and Fourier transform infrared spectroscopy in the attenuated total reflectance mode (ATR-FTIR). The impact of PEI molecular weight on the properties of the hydrogels was determined. The hydrogels exhibited a swelling capacity between 139% and 404% of their initial weight, depending on the molecular weight of the PEI and the weight percentage used in the synthesis of the hydrogels. The characterization of the mechanical properties revealed a maximum compressive strength of 139.3 kPa. Tensile testing revealed that the hydrogels adhere to the tissue surface with an average force between 1.6 and 5.2 N/cm2. The surface morphology and ROS scavenging ability of the hydrogel was also analyzed. This dissertation proposes a promising mechanism to facilitate the degradation of hydrogels inspired by photodynamic therapy. The mechanism is based on the incorporation of a photosensitizer (PS) within the polymeric matrix of the hydrogel. After irradiation with a suitable wavelength, the PS generates 1O2 capable of degrading the β-aminoacrylate bonds present in the hydrogel structure. The success of the proposed mechanism was investigated chemically by ATR-FTIR. The physical properties of the hydrogels after irradiation were evaluated by analyzing the mechanical properties, surface morphology, in vitro 1O2 generation and by light- and pH-induced degradation tests. A visible loss of hydrogel properties occurs after irradiation, confirming the promising in situ dissolution capacity of the hydrogel. Cytocompatibility studies were carried out on hydrogels with and without irradiation, highlighting the good cytocompatibility and safety of the hydrogels synthesized with PEI1.8k and 30% wt. after irradiation.