Advanced electrospun scaffolds based on biodegradable polylactide and poly(butylene succinate) for controlled drug delivery and tissue engineering

Abstract

Electrospinning is a manufacturing process that uses an electric field to produce fibers from a polymer solution. The accumulation of these fibers conform a three-dimensional fiber matrix or scaffold. Fibers can be prepared in a wide diameter range, namely from a micrometer to nanometer size. Furthermore, the fiber matrix or scaffold has a large surface per mass unit, a porous structure and mechanical properties influenced by the orientation of the fibers.
 The electrospinning technique is highly versatile and therefore a large number of polymers with different properties can be processed. However, a large number of variables can influence the characteristics of the resulting fibers, either because they are related to the polymer properties (e.g., solubility, molecular weight, etc.) or with the specific processing parameters (voltage, flow rate or distance tip-collector). Electrospun fiber matrices are attractive for biomedical applications as for example tissue engineering and drug delivery systems. In the last case, it is important the possibility to load the fibers with different drugs for their direct and localized administration into the human body.
 The goal of this Thesis is the study of different matrices constituted by electrospun micro- nanofibers and specifically four points have been considered. In the first one, polylactide electrospun scaffolds have been loaded with different molecules with antioxidant activity (i.e., vitamin B6 in pyridoxine and pyridoxal forms, p-coumaric acid and caffeic acid). The influence of these molecules on physical properties, morphology, in vitro release profiles and biocompatibility was determined. Furthermore, the application of these new materials for the inhibition of oxidative DNA damage caused by free radical initiators was demonstrated, and consequently, they appear appropriate candidates for purification of plasmidic or genomic DNA.
 In the second point, PLLA matrices loaded with two or three drugs were prepared in order to get a multifunctional activity. Thus, antioxidant, anti-inflammatory and antimicrobial molecules were considered in order to prevent chain oxidation processes in different biomolecules (proteins, DNA, etc.), avoid the subsequent local inflammation, and reduce the potential risk of microbial infection of wounds, respectively. These matrices are especially interesting due to the synergies and antagonisms that may occur during their simultaneous release. 
 In the third point, the possibility of preparing biodegradable scaffolds from non electrospinable polymers has been considered. These polymers may have advantages like conductivity/electroactivity or bactericide activity. Hybrid scaffolds constituted by different ratios of polylactide as a biodegradable polymer and (poly(3-thiophene methyl acetate)) as electroactive polymer were evaluated. PLA nanofibers were also successfully loaded with polyhexamethylenebiguanide hydrochloride giving rise to 3D biodegradable scaffolds with a well proven antibacterial activity and a release that was highly dependent on the hydrophilicity of the medium. 
 Finally electrospun scaffolds were obtained using a sacrificial polymer (e.g. poly(ethylene glycol) (PEG)) that could easily be subsequently removed by solubilization in aqueous media. Three approaches were evaluated: a) Preparation of scaffolds constituted by different ratios of PLA and PEG electrospun fibers, b) Preparation of scaffolds constituted by electrospun fibers with different PLA and PEG content; c) Preparation of scaffolds constituted by coaxial electrospun fibers with different core-shell polymer distributions. Cell colonization was in all cases favoured. The three procedures allowed preparing scaffolds with a differentiated drug release behavior. La técnica de 'electrospinning' o electrohilado es un proceso de fabricación que utiliza un campo eléctrico para producir fibras a partir de disoluciones de polímeros. La acumulación de estas fibras conforma una matriz tri-dimensional o 'scaffold', y las fibras pueden ser preparadas en escala micro y nanométrica. Además, estas matrices o 'scaffold' se caracterizan por su gran superficie por unidad de masa, estructura porosa y propiedades mecánicas influenciadas por la orientación de las fibras. El 'electrospinning' es muy versátil y un gran número de polímeros con diferentes propiedades pueden ser procesados. Sin embargo, un gran número de variables pueden influir en las características de las fibras obtenidas, siendo variables propias del polímero (p.e., solubilidad, peso molecular, etc.) o relacionadas a los parámetros del proceso (voltaje, flujo, distancia colector-aguja). Estas matrices de fibras son atractivas para aplicaciones biomédicas como la ingeniería de tejidos y sistemas de liberación controlada de fármacos. En el último caso, es importante la carga de diferentes fármacos o drogas para su administración directa y localizada en el cuerpo humano. El objetivo de esta Tesis es el estudio de diferentes matrices constituidas por nano o microfibras electrohiladas. El desarrollo de este estudio se divide en cuatro bloques. En el primer bloque, matrices de fibras de poliláctico (PLA) fueron cargadas con diferentes moléculas con actividad antioxidante (vitamina B6 en sus formas de piridoxina y piridoxal, ácido p-cumárico y ácido cafeico). Se determinó la influencia de estas moléculas sobre las propiedades físicas, morfología, liberación in vitro y biocompatibilidad de dichas matrices. Además, se demostró la aplicación de estos nuevos materiales en la inhibición del daño oxidativo del ADN causado por iniciadores de radicales libres, y en consecuencia, estas matrices serían útiles para la purificación de ADN plasmídico o genómico. En el segundo bloque, las matrices de PLA fueron cargadas con dos o tres fármacos para obtener matrices multifuncionales en base a sus actividades. Con esta finalidad, moléculas con actividad antioxidante, anti-inflamatoria, y antimicrobiana fueron cargadas en las matrices para evitar los procesos de oxidación de diferentes biomoléculas (proteínas, ADN, etc.), evitar la inflamación local, y reducir el riesgo potencial de infección microbiana de las heridas, respectivamente. Estas matrices son especialmente interesantes debido a las sinergias y antagonismos que pueden ocurrir durante su liberación simultánea. En el tercer bloque, se prepararon matrices biodegradables a partir de polímeros no-electrohilables. Estos polímeros pueden presentar características particulares, como actividad bactericida, o actividad conductora/electroactividad. Matrices hibridas conformadas con diferentes ratios de PLA usado como polímero biodegradable y el poli(3-tiofeno metil acetato) como polímero electroactivo fueron preparadas y evaluadas. También se prepararon matrices de nanofibras de PLA cargadas con clorhidrato de polihexametilenbiguanida (PHMB) obteniéndose matrices biodegradables con actividad antibacteriana, y la liberación del PHMB fue altamente dependiente de la hidrófilicidad del medio. Finalmente, en el cuarto bloque, se prepararon matrices electrohiladas usando un polímero de sacrificio (polietilenglicol o PEG) que puede ser eliminado fácilmente por solubilización en medios acuosos. Tres preparaciones diferentes fueron evaluadas: a) Matrices constituidas por diferentes proporciones de PLA y PEG en las fibras, b) Matrices constituidas por fibras de PLA y fibras de PEG y, c) Matrices constituidas por fibras coaxiales con diferentes distribuciones de polímeros en el núcleo y la corteza de la fibra. La colonización celular en todas estas matrices fue mejorada. Estos tres procedimientos permitieron obtener matrices con diferentes comportamientos para la liberación de fármacos.