Development of polymeric membranes for the prevention of post-operative tendon adhesions

Abstract

The tendon is a complex tissue whose function is to convert muscle contraction into joint movement. Tendon injuries are quite common, and originate from accidents, sport activities, tumours or degenerative pathologies. Tendons are surrounded by a thin layer, the tendon sheath, which is responsible for the nutrition and gliding of the tendon. Upon a lesion, the tendon sheath is disrupted and the intrinsic and extrinsic healing process, both, is activated. If extrinsic healing is able to prevail over intrinsic healing, tendon adhesions are formed. Despite all the efforts, the occurrence of tendon adhesions remains a major problem contributing to a restriction in the range of motion of the tendons and adversely affecting the patient’s mobility and comfort.There are already some strategies to prevent the occurrence of adhesions, but the one that provides the best results is the use of physical barriers. Membranes seem to be the most reliable material for this purpose. These are usually made from synthetic or natural polymers, or a mixture of both. Among the most commonly used synthetic polymers are the polyesters, which release acidic by-products, upon degradation, which induce an inflammatory response. Among the natural polymers, hyaluronic acid (HA) is commonly used. The membranes should have a number of characteristics required for application such as: porous structure, to allow the exchange of nutrients, lubricating ability, to allow the tendon gliding, and they should maintain their integrity for 6 weeks. The aim of this work is therefore to develop a porous mat that could be used as a physical barrier to prevent tendon adhesions. The membranes were prepared by electrospinning, as this allows materials with good mechanical properties and adequate porosity to be obtained. The material used was α-amino acid based poly(ester amide)s (AAA-PEAs) instead of commonly polyesters. AAA-PEAs offer great versatility of structures and properties, and do not have the problem of surroundings’ acidification, that typically is observed in polyesters. Since electrospinning of AAA-PEAs alone was very difficult, the addition of PCL as a base material, enable the preparation of membranes. They were characterized taking into account all parameters required for a suitable barrier. Additionally, polysaccharides with the glucuronic acid group (e.g. HA) were used to give the membranes with the lubricating effect.Finally, three final formulations with an L-alanine-based AAA-PEA were prepared: a membrane made exclusively of high molecular weight AAA-PEA, another prepared from a mixture of medium molecular weight AAA-PEA and PCL in a 50:50 ratio and finally, a mixture of low molecular weight AAA-PEA and PCL in a 66:33 ratio. All of these membranes showed promising characteristics for the use in preventing tendon adhesions, such as adequate porosity, high water absorption capacity, good mechanical properties and low friction during tendon movement. In vitro cytotoxicity and adhesion tests also showed that these membranes do not cause cell death per se, but prevent the complete adhesion of fibroblasts, and thus have anti-adhesion effect. However, the use of co-adjuvants such as hyaluronic acid (HA) has been tested in our membranes to increase this capacity. HA first underwent modification with methacrylic anhydride to increase its lifetime through cross-linking with light. Next, 3-layer or “sandwich” membranes were synthesized where the outer membranes were made up of PCL or mixtures with AAA-PEAs and the inner layer was made up of the gel formed by modified HA. Preliminary tests have proven the effectiveness of these membranes in releasing HA in a cross-linked form in a more controlled manner. In this way, it was intended to further reduce adhesion and friction between membrane and tendon.In view of this, we can conclude that the L-alanine-based AAA-PEA membranes developed in this work, alone or together with PCL, could be good candidates for solving a high cost and high maintenance problem, namely the prevention of tendon adhesions.

O tendão é um tecido complexo cuja função é transformar a contração muscular em movimento da articulação. As lesões tendinosas são bastantes comuns tendo a sua origem em acidentes, atividades desportivas, tumores ou patologias degenerativas. Os tendões estão rodeados por uma camada fina, a bainha do tendão, responsável pela sua nutrição e deslizamento. Aquando de uma lesão, essa bainha é danificada e os mecanismos intrínsecos e extrínsecos de reparação do tendão são ativados. Quando os mecanismos extrínsecos prevalecem sobre os intrínsecos, existe uma proliferação interna exacerbada de fibroblastos e fibrina e as adesões tendinosas são formadas. Estas adesões representam um grande problema contribuindo para a perda de amplitude de movimento do tendão levando a complicações de mobilidade e conforto dos pacientes. Existem algumas estratégias usadas para prevenir este tipo de adesões sendo que as que têm apresentado melhores resultados são as barreiras físicas e, dentro delas, as membranas. Estas costumam ser preparadas a partir de polímeros sintéticos ou naturais ou uma mistura dos dois. Dentre os polímeros sintéticos mais utilizados encontram-se os poliésteres, que apresentam o inconveniente de libertar durante a sua degradação produtos ácidos, para os tecidos circundantes, causando um incremento na resposta inflamatória. Em relação aos polímeros naturais, o ácido hialurónico (HA) é o mais usado. De forma geral, as membranas têm de apresentar certas características de forma a suprimir as necessidades da aplicação em causa, sendo elas: estrutura porosa para permitir a troca de nutrientes, capacidade de lubrificação de forma a permitir o movimento do tendão e ainda, deve ser estável até 6 semanas. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de membranas porosas que pudessem ser usadas como barreiras físicas na prevenção de adesões tendinosas. As membranas foram preparadas por electrospinning visto que esta técnica permite a obtenção de materiais com boas propriedades mecânicas e porosidade adequada. Relativamente aos materiais usados, para substituir os poliésters foram testadas poliésteramidas de base α-aminoácidos (AAA-PEAs). Estes polímeros oferecem uma grande variedade de estruturas e propriedades não tendo associada a questão de acidificação do meio, típica dos poliésteres. No entanto, como o processo de electrospinning com as AAA-PEAs se mostrou difícil, foi necessária a adição de policaprolactona (PCL) como material de base. A caracterização das membranas sintetizadas foi realizada tendo em vista a aplicação final e todas as características mecânicas que isso implica. Para além disso, HA foi adicionado às formulações finais para garantir o efeito de lubrificação desejado. No fim, foi possível chegar a 3 formulações finais com uma AAA-PEA de base L-alanina: uma membrana feita exclusivamente de AAA-PEA de alto peso molecular, outra derivada de uma mistura de AAA-PEA de médio peso molecular com PCL numa proporção 50:50 e, por fim, uma mistura de AAA-PEA de baixo peso molecular com PCL numa proporção de 66:33. Todas estas membranas apresentaram características promissoras para o uso em prevenção de adesões tendinosas como a adequada porosidade, elevada capacidade de absorção de água, boas propriedades mecânicas e baixa fricção aquando do movimento do tendão. Para além disso, os testes de citotoxicidade e adesão in vitro mostraram que, por si só, estas membranas não causam a morte celular, no entanto, impedem a completa adesão dos fibroblastos apresentando por isso uma capacidade anti adesiva. No entanto, o uso de coadjuvantes como o ácido hialurónico (HA) foi testado nas nossas membranas, para aumentar essa capacidade. O HA passou primeiro por uma modificação com anidrido metacrílico para aumentar o seu tempo de vida através da reticulação com luz. De seguida, foram sintetizadas membranas de 3 camadas ou “sandwich” onde as membranas exteriores eram constituídas por PCL ou por misturas com as AAA-PEAs e a camada interior pelo gel formado pelo HA modificado. Testes preliminares comprovaram a eficácia dessas membranas de libertarem de forma mais controlada o HA na forma de reticulado. Desta forma, era pretendido reduzir ainda mais a adesão e a fricção entre membrana e tendão. Podemos concluir que as membranas de base AAA-PEA de base L-alanina, sozinhas ou em conjunto com o PCL, desenvolvidas neste trabalho, poderão ser fortes candidatos para colmatar um problema com elevada frequência, a prevenção de adesões tendinosas.