Desenvolvimento de dispositivos médicos à base de poliuretano para aplicações na engenharia de tecidos

Orientadores: Rubens Maciel Filho, Carmen Gilda Barroso Tavares Dias Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Durante as últimas décadas, muitos estudos têm sido realizados com o objetivo de desenvolver materiais bioativos que oferecem potencial para crescimento e reparo de tecidos. As estratégias atuais são baseadas no desenvolvimento de dispositivos médicos combinados com células, nanopartículas, biomoléculas e fatores de crescimento. Uma estratégia é através do uso de scaffolds (arcabouços tridimensionais) que atuam como uma matriz tridimensional para adesão, proliferação e diferenciação, resultando no crescimento do tecido através da mimetização da matriz extracelular natural (ECM). Desta forma, scaffolds podem apresentar várias formas, como espumas, esponjas, filmes, fibras, membranas, tubos e hidrogéis. Dispositivos médicos também estão suscetíveis a infecções, causando a falha do implante. Bactérias podem aderir ao implante, criando um filme. Uma vez que a bactéria aderiu ao dispositivo, é difícil de removê-la. Desta forma, existe uma necessidade especial no desenvolvimento de materiais bioativos que possam reduzir a contaminação hospitalar, o crescimento de microorganismos, a transmissão de diferentes infecções, e destruir agentes patogênicos e organismos resistentes a drogas. Uma estratégia é a modificação da superfície dos filmes poliméricos adicionando nanopartículas que apresentam propriedades antibacterianas. Nanopartículas também podem ser aplicadas em dispositivos médicos com o intuito de promover propriedades osteocondutivas e melhorar as propriedades de resistência mecânica. O uso de membranas poliméricas na área médica tem crescido consideravelmente. A partir de membranas, é possível obter pele artificial, bandagens para reparo de feridas, balões de angioplastia, scaffolds e conexões neurais. Diferentes polímeros têm sido usados para essa aplicação. Poliuretanos (PUs) têm sido considerados excelentes materiais para aplicações biomédicas devido possuírem várias propriedades controláveis e apresentarem alta biocompatibilidade. Mesmo que biocompatíveis, uma grande variedade de nanopartículas tem sido adicionada aos PUs afim de promover propriedades desejadas específicas. Atualmente, a maior desvantagem da síntese de PUs é a dependência de produtos baseados em petróleo. Levando tudo em consideração, esta tese de doutorado foca no desenvolvimento de diferentes tipos de PUs para serem aplicados como dispositivos médicos. Nanocompósitos de poliuretano dopados com nanopartículas de óxido de zinco, prata e hidroxiapatita foram produzidos e estudados com o objetivo de conferir propriedades antibacterianas aos nanocompósitos. Também foi proposta a produção de scaffolds de bio-poliuretano derivado de fonte renovável dopados com a adição de nanopartículas de hidroxiapatita para numerosas aplicações, incluindo ortopédica. Finalmente, foi realizada a produção de poliuretano eletrofiado para a obtenção de membranas. Os dispositivos desenvolvidos nesta tese foram caracterizados por meio de propriedades morfológicas, estruturais, térmicas e biológicas. Em resumo, esse estudo suporta a investigação de PUs como dispositivos médicos biocompatíveis para numerosas aplicações na Engenharia de Tecidos Abstract: During the past decades, many studies have been done in order to develop bioactive materials offering the potential for tissue growth and repair. Current strategies are based on the development of medical devices in combination with cells, nanoparticles, biomolecules and growth factors. One strategy is to use scaffolds to act as a tridimensional matrix for cell adhesion, proliferation and differentiation and tissue ingrowth by mimicking the natural extracellular matrix (ECM). In this way, scaffolds may present various forms such as foams, sponges, fibers, membranes, tubes and hydrogels. Medical devices are also susceptible to infections, causing the implant failure. Bacteria can adhere to the implant, creating a film. Once the bacteria adhered to the device, it is difficult to remove. In this way, there is a special need in the development bioactive materials in order to reduce hospital contamination, microorganism growth, the transmission of different infections, and destroy pathogens and multi-drug resistant organisms. One possible strategy is to modify the surface of polymer films using nanoparticles that present antibacterial properties. Nanoparticles can also been applied in medical devices in order to promote osteocondutivity properties and improve mechanical properties. The use of polymeric membranes in the medical field has grown considerably. From the membranes, it is possible to obtain artificial skin, bandages for wounds, angioplasty balloons, scaffolds and neural connections. Several polymers have been used for this application. Polyurethanes (PUs) have been considered excellent materials for biomedical applications due to their various controllable properties and high biocompatibility properties. Even though they are biocompatible, a wide range of nanoparticles have been added to PU to promote select properties. The major disadvantage in the synthesis of the PUs nowadays is the dependence of petroleum-based products. Bearing all this in mind, this PhD work focuses on developing different types of polyurethanes to be applied as a medical device. Nanocomposites of polyurethane doped with the addition of either zinc oxide (ZnO), silver (Ag) and hydroxyapatite (HA) nanoparticles in order to impart nanocomposites antibacterial properties were synthesized and studied. It was also proposed the production of bio-based polyurethane scaffolds derived from renewable resource dopped with hydroxyapatite nanoparticles for numerous TE applications, including orthopedic applications. Lastly, it was proposed the synthesis of electrospun polyurethanes in order to obtain membranes. The medical devices developed in this project were successfully characterized by morphological, structural, thermal and biological properties. In summary, this study supports the investigation of polyurethanes as biocompatible medical devices for Tissue Engineering applications Doutorado Engenharia Química Doutora em Engenharia Química CNPQ 141013/2012-5, 202420-2014-0