Development of a biodegradable elastomeric patch for the treatment of chronic wounds

Abstract

[ES] La piel es el órgano más grande y pesado del cuerpo humano. Proporciona diferentes funciones vitales como defensa ante bacterias, virus y otros agentes patógenos, aislamiento térmico y químico, contiene receptores nerviosos, y otros tantos. En la mayoría de los casos en que aparece una herida o enfermedad en la piel, esta puede curarse de manera autónoma gracias a la cooperación de células, proteínas y otros factores involucrados en el proceso de curación. No obstante, en determinadas circunstancias como patologías severas, la regeneración de la piel puede no ser posible ni siquiera con el apoyo de medicamentos. Por ejemplo, se sabe que la proliferación de bacterias en heridas tiende a retrasar o detener el proceso de curado. Con ello, puede llevar a la formación de biofilms, usados por los agentes patógenos para protegerse de moléculas antibióticas y otros tratamientos. La Universitat Politècnica de València (UPV) y la CY Cergy Paris Université (CYU) están trabajando conjuntamente en un proyecto llamado THERAPATCH que tiene como objetivo crear un vendaje elástico que libere moléculas que sean capaces de mejorar la respuesta inmune, como curcumina, y gestionar más efectivamente la presencia de bacterias, a través del uso de bacteriófago. El trabajo se puede dividir en tres partes: 1) Creación de un andamiaje apropiado que pueda servir como entorno tridimensional para incluir las moléculas y emular la matriz extracelular; 2) incorporación de los agentes bioactivos embebidos en un hidrogel que pueda ser introducido en la matriz del andamiaje; 3) evaluaciones preclínicas in vitro. Este Trabajo Final de Máster se centra en la primera parte, relacionada con la obtención del andamiaje, y en la integración del hidrogel con este. El material escogido para el andamiaje es el poliglicerol sebacato (PGS), un novedoso polímero que despertó un destacable interés hace dos décadas en el ámbito biomédico por sus características. El PGS se sintetiza a partir de glicerol y ácido sebácico. En la primera parte del TFM, se producirá el PGS variando algunos parámetros de síntesis como el tiempo de curado, la exposición al aire y la forma del molde, para analizar su efecto mediante la caracterización con varias técnicas de análisis físico-químico. El siguiente paso será centrarse en la estructura del andamiaje, para el que se escogerán dos estrategias: obtener los poros a partir de partículas de NaCl de diferente granulometría como porógeno y el electrohilado, una estrategia que nunca antes se ha probado con PGS y que podría ofrecer una estructura más similar a la matriz extracelular natural junto con una elevada porosidad. Se prepararán hidrogeles de ácido hialurónico (HA) o quitosano (CHT), polímeros naturales que requieren una modificación química para formar y controlar el hinchado de las redes elastoméricas resultantes cuando forman geles. Estos se caracterizarán para determinar el contenido de agua en equilibrio y sus propiedades mecánicas. Finalmente, será necesario ajustar la concentración de la disolución de HA/CHT y su proporción con el andamiaje de PGS para poder inyectar estas en su interior y gelificarlo de una manera controlada. Tras la incorporación de las biomoléculas en la matriz del andamiaje, algo que no pertenece al alcance de este TFM, las propiedades bioactivas del parche multifuncional, se evaluarían mediante ensayos que cuantifiquen el potencial antioxidante de los sistemas de liberación embebidos en los geles, la viabilidad de células humanas en contacto con el parche o el efecto antibiofilm del sistema completo en cultivos in vitro de procariotas.

[CAT] La pell és l’òrgan més extens i pesat del cos humà. Proporciona múltiples funcions vitals, com a defensa contra agents patògens, regulació tèrmica, sensació tàctil i altres. Amb freqüència, davant una malaltia, pot revertir el mal de manera autònoma gràcies a la cooperació de diferents factors implicats en el curat, però sota circumstàncies específiques, la regeneració tissular pot veure’s compromesa, i organismes com a bacteris poden allotjar-se indefinidament en la zona. Això provoca la formació de biofilms, en els quals els microorganismes patògens es protegixen amb més eficàcia de l’acció d’antibiòtics, i que descomponen l’equilibri biològic de l’entorn. La Universitat Politècnica de València i la CY Cergy Paris Université estan col·laborant en el context d’un projecte anomenat THERAPATCH, que té l’objectiu d’obtindre un apòsit que continga, d’una banda, molècules bioactives capaces de resoldre la resposta inflamatòria crònica de la ferida i, d’altra, bacteriòfags eficaços contra bacteris presents, capaços de penetrar en els biofilms. Este Treball Final de Màster es centra en l’obtenció de la bastida de l’apòsit, i de l’hidrogel que albergarà estes biomolècules, amb el focus en la biocompatibilitat i el perfil d’alliberament d’estos. El polímer triat és poliglicerol sebacat (PGS), un material amb aplicació relativament recent en biomedicina que ha despertat molt d’interés per les seues característiques. Es pretenen avaluar dues tècniques per a l’obtenció d’estes bastides. D’una banda, es mescla PGS amb cristalls de sal per a obtindre un constructe porós, amb cavitats de la grandària dels grans. La segona tècnica es basa en electrofilat, per a formar una membrana basada en filaments de polímer distribuïts de manera aleatòria. Per part seua, l’hidrogel corresponent, basat en àcid hialurònic o polivinil alcohol, s’injectarà i gelificarà en el seu interior, i es realitzaran assajos mecànics per a caracteritzar el conjunt.

[EN] Skin is the largest and heaviest organ in the human body. It provides many vital functions for people, such as defence against bacteria, viruses, pathogen agents, thermic and chemical isolation, contains nerve receptors, and many others. In the case of most injuries and diseases, it can heal by itself thanks to the cooperation of cells, proteins and other factors involved in the process of healing. However, under certain conditions, like serious pathologies, medications or self-cure can lead to inadequate or deficient tissue repair. It¿s known that the proliferation of bacteria at wound sites causes a stagnation of the healing process. Subsequently it leads the formation of biofilms, that are used by pathogen agents to defend themselves by antibiotics of other treatments. The Universitat Politècnica de València (UPV) and the CY Cergy Paris Université (CYU) are working together in a project called THERAPATCH that has the purpose to create a bandage containing molecules able to manage and improve the inflammatory response, like curcumin, and bacteriophages evading biofilms, effective against bacteria. The work can be split in three parts: 1) creation of an appropriate scaffold that act as the environment where to locate cells and the extracellular matrix molecules; 2) incorporation of the bioactive agent into an hydrogel that will be inserted in the scaffold matrix; 3) in vitro biological evaluations. This thesis focuses on the first task, that is about the creation of a scaffold and the hydrogel. The material chosen for the scaffold is polyglycerol sebacate (PGS), a novel polymer that two decades ago awakened a lot of interest in biomedicine for its characteristics. PGS is synthesized from glycerol and sebacic acid. In the first part of the thesis, the PGS is produced, varying the heating time, the air exposition and the shape of the mold, comparing them through physical-chemical analyses. The next step is about the creation of the scaffold¿s structure. Two different ways are analysed: in the first, it is produced combining salt (NaCl), with different grain dimensions, and PGS; in the second it is experimented a new strategy, the electrospinning, that could lead to a better scaffold in terms of natural shape, dimension of the connection passages and ECM environment. Hydrogels will be produced with hyaluronic acid (HA) or with chitosan (CHT) that are natural polymers that need chemical modification to control or adjust the swelling of the resulting networks. The gel will be characterised to determine the equilibrium water content and mechanical properties. Finally, it is necessary to adjust the concentration of the HA or CHT solution and the polymer/PGS ratio in order to permit the hydrogels to be injected in the scaffold in a controlled way. After the incorporation of biomolecules in the scaffold matrix, that is not treated in this thesis, the bioactive properties of the multi-functional patch will be evaluated. First of all, the preservation of antioxidant properties of systems for controlled release into hydrogel will be considered, then cell viability of delivery systems will be studied. Finally antibacterial and antibiofilm of delivery systems in procaryote bacteria strains will be evaluated.