Biocompatible Hydrogels with controlled degradation by visible light

Abstract

Burn-related injuries continue to be a major public health problem with great impact worldwide. Despite great efforts in the development of innovative wound dressings for the treatment of burns, to date, there are no wound dressings that meet all the demanding requirements to promote rapid re-epithelialization and be atraumatically removed. For this reason, it is highly desirable to develop wound dressings whose removal is controllable, painless, and non-invasive. One possible strategy is to use ‘smart’ wound dressings that are respond to external stimuli. Light may be considered as the external stimulus of choice. Visible light presents some advantages such as deeper tissue penetration and greater compatibility with biological systems, especially compared with ultraviolet (UV) light. However, the visible region of the spectrum does not have sufficient energy to cause direct chemical cleavage of a covalent bond, so a mediated mechanism is required. One possible way to overcome this drawback is to use singlet oxygen (1O2), a highly reactive oxygen species, that can be generated by combining light and a photosensitizer (PS) molecule. This short-lived molecule can undergo oxidative reactions in the immediate environment. When reactive oxygen species (ROS) – sensitive moieties are strategically placed in the polymer structure, this interaction with 1O2 can lead to the cleavage of the covalent structure. Although this concept is widely used in the field of drug delivery systems, this is the first time it has been applied to the field of materials science.The aim of this work was the development of light/1O2-responsive materials using labile aminoacrylate and thioketal (TK) linkers covalently inserted into the polymeric backbone. The strategy followed aimed to reduce the time and stress required to remove a dressing, resulting in an improved clinical procedure.This work began with the development of new light-sensitive polyurethane-urea (PUU) hydrogel films. These films were prepared from a telechelic polyethylene glycol (PEG) that contained a ROS-sensitive β-aminoacrylate bond in the structure. The mechanical and thermal properties of the films were evaluated as well as their water absorption capacity. In vitro cytotoxicity results showed that the films were cytocompatible. The hydrogel films showed to be photodegradable through an innovative ROS-mediated cleavage process, as indicated by the loss of their mechanical properties after irradiation.The work proceeded with the study of the influence of the molecular weight of PEG on the properties of the developed PUU films. It was found that their mechanical properties, as well as the water absorption capacity, could be adjusted by changing the molecular weight of the PEG precursors, which allowed a better control of the final properties of the PUU films. More importantly, all hydrogel films were degradable by a visible light-mediated cleavage process. The films were also loaded with silver sulfadiazine (AgSD), which led to the development of materials with antibacterial activity. The cytocompatibility of the hydrogels was not affected, especially for the materials for which PEG precursors with higher molecular weight were used. Therefore, this work highlights the potential of these materials to be used as responsive wound dressings.Following these two works, a new photodegradable in situ gelling hydrogel was developed. In situ gelling hydrogels can be considered an advantage for the development of dressings that can fill the irregular shapes of the wound. In this work, a straightforward strategy was followed to obtain injectable hydrogels that can gel within seconds, using a PEG precursor, with alkyne terminal groups, and poly(ethyleneimine) (PEI). Addition of a photosensitizer molecule – Rose Bengal (RB) – allowed these hydrogels to be degraded by a 1O2-mediated mechanism. The hydrogels and their degradation products showed good cytocompatibility.The last part of the work was devoted to the development of electrospinning mats using a polyamide with TK units. This ROS-responsive polymer was combined with poly(ε-caprolactone) (PCL) to obtain mats with structural integrity that could be partially degraded when exposed to an external stimulus. The mats could be degraded by both light and exposure to an oxidative medium (H2O2). In addition, the mats also exhibited improved antioxidant capacity, which can be considered as a favorable property for the development of wound dressing materials. The in vitro cytocompatibility results were also promising. Overall, this project has contributed to the development of innovative materials that can be used as easily removable wound dressings. The polymers with labile, ROS-responsive linkers were prepared in a simple and scalable manner, making them potential candidates for the development of new wound healing technologies.

Lesões relacionadas com queimaduras continuam a ser um problema global de saúde. Apesar dos esforços no desenvolvimento de materiais inovadores para tratamento de feridas de queimaduras, atualmente, ainda não existem recobrimentos para feridas que respondam a todos os requisitos necessários para promover uma rápida reepitelização e que permitam a sua remoção de forma atraumática. Assim, é pertinente desenvolver recobrimentos para feridas capazes de serem removidos de uma forma programável, indolor e não invasiva. Uma possível estratégia para desenvolver recobrimentos com baixo impacto de remoção consiste na utilização de estímulos externos. A luz pode ser considerada o melhor estímulo externo. A luz visível apresenta algumas vantagens em comparação com a luz ultravioleta (UV), entre as quais a melhor penetração nos tecidos e maior compatibilidade com os sistemas biológicos. No entanto, a radiação proveniente da região visível do espectro não possui energia suficiente para causar uma clivagem das ligações covalentes, sendo por isso necessário recorrer a um mecanismo mediado. Uma forma de superar esta dificuldade tira partido da elevada reatividade do oxigénio singleto (1O2), que pode ser gerado através da combinação da luz com uma molécula fotossensibilizadora. Esta molécula de 1O2 apresenta um tempo de vida muito curto e participa em reações oxidativas com o ambiente circundante. Se segmentos sensíveis a espécies reativas de oxigénio (ROS) forem colocados estrategicamente na estrutura do polímero, essa interação com 1O2 pode conduzir à clivagem da estrutura covalente. Embora este conceito seja amplamente utilizado em aplicações de entrega de fármacos, foi pela primeira vez aplicado na área da ciência dos materiais.O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de materiais responsivos à luz/1O2, utilizando segmentos sensíveis de aminoacrilato e tiocetal inseridos covalentemente na estrutura polimérica. Esta estratégia tinha como objetivo reduzir o tempo e o esforço necessários para a substituição dos recobrimentos, conduzindo a um melhor procedimento clínico.Este trabalho iniciou-se com o desenvolvimento de novos filmes hidrogel de poliuretano-ureia (PUU) com capacidade de responder a estímulos externos. Estes filmes foram preparados usando um polímero biocompatível (PEG) e continham na sua estrutura uma ligação β-aminoacrilato sensível a ROS. As propriedades mecânicas e térmicas dos filmes foram estudadas, bem como sua capacidade de absorção de água. Ensaios de citotoxicidade mostraram que os filmes eram citocompatíveis. Mais importante, os filmes de hidrogel exibiram um perfil foto-degradável por meio de um processo inovador de clivagem mediado por ROS, conforme indicado pela perda de propriedades mecânicas.Num trabalho posterior, a influência do peso molecular do PEG nas propriedades dos filmes de PUU foi estudada. As propriedades mecânicas, assim como a capacidade de absorção de água, foram ajustadas através da alteração do peso molecular dos precursores de PEG, permitindo um melhor controlo das propriedades finais dos filmes de PUU. Todos os filmes de hidrogel mostraram ser degradáveis por um processo de clivagem mediado por luz visível. Os filmes foram também impregnados com sulfadiazina de prata (AgSD), o que permitiu o desenvolvimento de materiais com atividade antibacteriana. A citocompatibilidade dos hidrogéis não foi comprometida, principalmente nos materiais que utilizaram precursores de PEG com maior peso molecular.Na sequência destes dois trabalhos, uma nova estratégia foi utilizada. Neste trabalho, uma estratégia simples foi seguida para obter hidrogéis injetáveis que gelificam em segundos usando um precursor de PEG e um de poli(etilenoimina) (PEI). Ao adicionar uma molécula fotossensibilizadora – Rosa Bengala (RB) – estes hidrogéis podem ser degradados por um mecanismo mediado por 1O2. Os hidrogéis, bem como os seus produtos de degradação, apresentaram boa citocompatibilidade.A última parte do trabalho foi dedicada ao desenvolvimento de membranas por electrospinning utilizando uma poliamida contendo o segmento tiocetal na sua estrutura. Este polímero responsivo a ROS foi combinado com poli(ε-caprolactona) (PCL) para obter membranas com integridade estrutural. Estas membranas podem ser degradadas pela exposição à luz e ao H2O2. Além disso, as membranas exibiram, também, elevada capacidade antioxidante e boa citocompatibilidade, o que pode ser visto como uma propriedade favorável para o desenvolvimento de materiais para o tratamento de feridas.No geral, este projeto contribuiu para o desenvolvimento de materiais inovadores que podem ser aplicados como recobrimentos de feridas facilmente removíveis. Os polímeros com os segmentos responsivos a ROS foram preparados de maneira simples e escalável, tornando-os como potenciais candidatos para o desenvolvimento de novas tecnologias de cicatrização de feridas.