Monitoring of the parameters of synthesis of poly(glycerol sebacate) and influence on the physicochemical and biological properties of its elastomer

Abstract

[ES] El poli glycerol sebacato es un polímero que posee gran versatilidad gracias a sus propiedades mecánicas adaptables en función del proceso de síntesis que le preceda. Posee características tales como gran biocompatibilidad y buena biodegradabilidad que le confieren un gran atractivo en el ámbito de la ingeniería tisular y de diversas aplicaciones biomédicas como liberación de fármacos. Dichas propiedades son proporcionadas gracias a sus componentes principales, glicerol y ácido sebácico, ya que ambos poseen la aprobación de la “U.S. Food and Drug Administration”. Para sintetizar dicho polímero, se emplea un proceso de policondensación basado en dos etapas. La primera llamada prepolimerización, suele durar alrededor de 24h y se efectúa a altas temperaturas y bajo una atmósfera inerte de nitrógeno o argón. La siguiente etapa, la de polimerización, requiere de periodos más largos, alrededor de 48h, bajo las mismas condiciones de temperatura. En este proceso es cuando se suele emplear el uso de moldes para poder general el soporte material necesario para futuras aplicaciones biomédicas. Como se mencionaba anteriormente, posee alta capacidad de adaptabilidad mecánica en función de qué parámetros de síntesis sean los empleados. Entre los parámetros que más afectan a las propiedades finales de la red polimérica de PGS se encuentran la temperatura, el tiempo de reacción y el ratio de sus componentes principales. A pesar de que la síntesis se realice del mismo modo en diferentes grupos de investigación, el material final que se obtiene puede variar mucho de uno a otro. Esto es debido a la inconsistencia en los procesos de síntesis y al desconocimiento de los efectos de los diferentes parámetros de síntesis. Por ello, un mayor entendimiento del proceso de síntesis es necesario, pudiendo reducir los costes de producción y permitir la producción a escala de este biomaterial. En primer lugar, se estudió la etapa temprana de síntesis, la prepolimeración, mediante diversas técnicas de caracterización para determinar las propiedades fisicoquímicas del prepolímero durante los primeros momentos de su síntesis. Los resultaros mostraron la cinética de la reacción de policondensación entre los diferentes hidroxilos del glicerol y los carboxilos del ácido sebácico, formando en primer lugar cadenas largas mediante la reacción de los hidroxilos primarios, que luego, durante el proceso de polimerización entrecruzaban a través de la reacción de los remanentes hidroxilos secundarios. Además de ello, se planteó una hipótesis acerca de uno de los parámetros de síntesis que no se habían estudiado anteriormente, la atmosfera aplicada. Este estudio reveló como las atmósferas inertes favorecen la generación de una red más ordenada, pero con menor grado de entrecruzamiento, mientras que atmósferas más oxidativas generaban una estructura menos organizada, pero con mayor entrecruzamiento de su red polimérica. Para concluir, se empleó el PGS para poder resolver un problema de índole biológica. Se buscaba estudiar el efecto de la variación de la temperatura de curado del PGS mediante proteínas pertenecientes a la matriz extracelular (fibronectina y colágeno tipo I) en las etapas tempranas de adhesión de células de cordón umbilical humano. Para ello fue necesario la optimización de la técnica de recubrimiento material llamada spin coating para lograr obtener recubrimientos lo suficientemente finos como para que su rugosidad no afecte al comportamiento de las proteínas y las células durante el estudio in vitro de los diferentes efectos de las diferentes redes poliméricas.

[EN] Poly (glycerol sebacate) is a polymer that has great versatility thanks to its adaptable mechanical properties depending on the synthesis process that precedes it. It has characteristics such as great biocompatibility and good biodegradability that make it highly attractive in the field of tissue engineering and biomedical applications such as drug delivery. These properties are provided thanks to its main components, glycerol and sebacic acid since both have the approval of the "U.S. Food and Drug Administration". To synthesize the named polymer, a two-stage polycondensation process is used. The first called prepolymerization, usually lasts around 24 hours and is carried out at high temperatures and under inert atmosphere of nitrogen or argon. The next stage, the polymerization stage, requires longer periods, around 48 hours, under the same temperature conditions. To generate the material scaffold necessary for future biomedical applications moulds templates are usually used. As mentioned previously, it has a high capacity for mechanical adaptability depending on which synthesis parameters are used. Among the parameters that most affect the final properties of the PGS polymer network are temperature, reaction time and the ratio of its main components. Although the synthesis is carried out in the same way in different research groups, the final material obtained can vary greatly from one to the other. This is due to the inconsistency in the synthesis processes and the lack of knowledge of the effects of the different synthesis parameters. Therefore, a better understanding of the synthesis process is necessary, being able to reduce production costs and allow the production of this biomaterial at scale. Consequently, the early stage of synthesis (prepolymerization), was first studied by using various characterization techniques to determine its physicochemical properties during the first moments of its synthesis. The results showed the kinetic tendency of the polycondensation reaction between the different hydroxyls of glycerol and the carboxyls of sebacic acid. Firstly, linear chains are formed by the reaction of the primary hydroxyls, which then, during the polymerization process, cross-link through the reaction of the secondary hydroxyl remnants. In addition to this, a hypothesis was raised about one of the synthesis parameters that had not been previously studied, the applied atmosphere. This study revealed how inert atmospheres favour the generation of a more ordered network but with a lesser degree of crosslinking, while more oxidative atmospheres generated a less organized structure but with greater crosslinking of its polymeric network. To conclude, PGS was used to solve a biological problem. The aim was to study the effect of the variation of the PGS curing temperature using proteins belonging to the extracellular matrix (fibronectin and type I collagen) in the early stages of adhesion of human umbilical cord cells. For this, it was necessary to optimize the material coating technique called spin coating to obtain coatings thin enough so that their roughness does not affect the behaviour of proteins and cells during the in vitro study of the different effects of the different polymeric networks.

[CA] El poli (glycerol sebacato) és un polímer que posseeix gran versatilitat gràcies a les seves propietats mecàniques adaptables en funció del procés de síntesi que el precedeixi. Posseeix característiques com ara gran biocompatibilitat i bona biodegradabilitat que li confereixen un gran atractiu en l'àmbit de l'enginyeria tissular i de diverses aplicacions biomèdiques com a alliberament de fàrmacs. Aquestes propietats són proporcionades gràcies als seus components principals, glicerol i àcid sebácico, ja que tots dos tenen l'aprovació de la "U.S. Aliments i medicaments ". Per sintetitzar dit polímer, s'empra un procés de policondensació basat en dues etapes. La primera, anomenada prepolimerizació, sol durar al voltant de 24hores i s'efectua a altes temperatures i sota una atmosfera inert de nitrogen o argó. La següent etapa, la de polimerització, requereix de períodes més llargs, al voltant de 48 hores, sota les mateixes condicions de temperatura. En aquest procés és quan se sol emprar l'ús de motlles per a poder general el suport material necessari per a futures aplicacions biomèdiques. Com s'esmentava anteriorment, posseeix alta capacitat d'adaptabilitat mecànica en funció de quins paràmetres de síntesi siguin els empleats. Entre els paràmetres que més afecten a les propietats finals de la xarxa polimèrica de PGS es troben la temperatura, el temps de reacció i la ràtio dels seus components principals. Tot i que la síntesi es faci de la mateixa manera en diferents grups de recerca, el material final que s'obté pot variar molt d'un a un altre. Això és a causa de la inconsistència en els processos de síntesi i a el desconeixement dels efectes dels diferents paràmetres de síntesi. Per això un major enteniment del procés de síntesi és necessari i pot reduir els costos de producció i permetre la producció a escala d'aquest biomaterial. Per això en primer lloc es estudi l'etapa primerenca de síntesi, la prepolimerizació, mitjançant diverses tècniques de caracterització per a determinar les propietats fisicoquímiques de l'prepolímer durant els primers moments de la seva síntesi. Els resultar-van mostrar la tendència cinètica de la reacció de policondensació entre els diferents hidroxils de l'glicerol i els carboxils de l'àcid sebácico. Formant en primer lloc cadenes llargues mitjançant la reacció dels hidroxils primaris, que després, durant el procés de polimerització s'entrecreuaven a través de la reacció dels romanents hidroxils secundaris. A més d'això, es va plantejar una hipòtesi sobre un dels paràmetres de síntesi que no s'havien estudiat anteriorment, l'atmosfera aplicada. Aquest estudi va revelar com les atmosferes inerts afavoreixen la generació d'una xarxa més ordenada però amb menor grau d'entrecreuament, mentre que atmosferes més oxidatives generaven una estructura menys organitzada però amb major entrecreuament de la seva xarxa polimèrica. Per concloure, es va emprar el PGS per poder resoldre un problema d'índole biològica. Es buscava estudiar l'efecte de la variació de la temperatura de curat de l'PGS mitjançant proteïnes pertanyents a la matriu extracel·lular (fibronectina i col·lagen tipus I) en les etapes primerenques d'adhesió de cèl·lules de cordó umbilical humà. Per això va ser necessari l'optimització de la tècnica de recobriment material anomenada spin coating per aconseguir obtenir recobriments prou fins com perquè la seva rugositat no afecti el comportament de les proteïnes i les cèl·lules durant l'estudi in vitro dels diferents efectes de les diferents xarxes polimèriques.