Treatment of textile surfaces by plasma technology for biomedical applications

Abstract

Medical applications of technical textiles are an expanding field of research. One of the added values of these new materials would be that they were suitable to contain and release active compounds in a controlled and sustained manner. Drug incorporation and release from synthetic fibers is related to the interaction of the drug with the polymer and probably greatly depends on the surface chemistry of the fiber. Plasma technology is a tool that enables to modify physical and chemical properties of the first nanometers of the fibers without affecting the bulk of the material. Applied to the medical textile field, plasma treatment of polymer fibres can lead to the design of new textile-based drug delivery systems. The novelty of this PhD. Thesis rests upon the modification of the drug/fiber interactions by plasma treatment to allow the modulation of the loading and the release of active principles (pharmaceutics and cosmetics) from the textile-based drug delivery systems, without requiring the use of any further chemicals. This Thesis aims at the development of two families of textile-based drug delivery systems, based on a novel surface functionalization by plasma treatment, with suitable characteristics for topical use as medical devices, or for clinical application in soft tissue repair. It is therefore organized in two distinct parts. In both parts of this thesis a general scheme has been followed: we have investigated the surface modification of textile materials with different types of plasmas (atmospheric and low pressure plasma), characterizing the surface modifications achieved by different complementary techniques. The effects of the plasma treatment have been evaluated on the subsequent incorporation of active pharmaceuticals and cosmetics. In the last step, the drug release to a standard medium has been studied by "in-vitro" dissolution assays. The first part is focused on medical textiles for topical application. Therein, the surface modification of polyamide 66 elastic-compressive knitted fabrics has been studied by corona plasma and low pressure plasma. The work has studied in parallel laboratory prepared fabrics and industrially finished fabrics, with views on the potential implementation of the proposed process in the textile industrial chain. Plasma treatment improved the release kinetics of anti-inflammatory pharmaceutic (ketoprofen) and of lipolitic cosmetic (caffeine) active principles, loaded in the polyamide 66 fabrics. A fundamental study comparing three different molecules of the same chemical family (caffeine, theobromine, pentoxifylline) has been performed regarding loading and release of the drugs. The second part focuses on textiles used as implants for soft tissue repair (e.g. hernia). The fiber surface of a polypropylene mesh has been modified by corona plasma and low-pressure plasma. The treatments evaluated had a major effect on the loading of antibiotic (ampicillin) by increasing it three times. As in vitro release kinetics of the drug was very fast, coating of the ampillicin-loaded polypropylene meshes with a biocompatible polymer was investigated by plasma polymerization.

Las aplicaciones médicas de los textiles técnicos son un campo de investigación en expansión. Uno de los valores añadidos de estos nuevos materiales puede ser su capacidad para contener y liberar principios activos farmacéuticos y cosméticos de una forma controlada y sostenida. La incorporación de fármacos y su liberación a partir de fibras sintéticas está relacionada con la interacción del fármaco con el polímero y puede depender en gran medida de la química de superficie de la fibra. La tecnología de plasma es una herramienta que permite modificar las propiedades físicas y químicas de los primero nanómetros de la superficie de las fibras sin afectar el interior del material. Aplicado al campo de los textiles médicos, el tratamiento con plasma de fibras poliméricas podría conducir al diseño de nuevos sistemas de liberación de fármacos basados en soportes textiles. La novedad de esta Tesis Doctoral se basa en la modificación de las interacciones fármaco / fibra por tratamiento de plasma para permitir la modulación de la incorporación y la liberación de los principios activos (farmacéuticos y cosméticos) a partir de sistemas de administración de fármacos basados en material textil, sin requerir el uso de productos químicos adicionales. Esta Tesis tiene como objetivo el desarrollo de dos familias de sistemas de liberación de fármacos basados en soportes textiles, por funcionalización de la superficie mediante tratamiento de plasma, con características adecuadas bien para uso tópico como dispositivos médicos, bien para aplicación clínica en la reparación de tejidos blandos. Por tanto, esta Tesis se organiza en dos partes bien diferenciadas. En ambas partes de esta Tesis se ha seguido el siguiente esquema general: en primer lugar se ha investigado primero la modificación superficial de los materiales textiles con diferentes tipos de plasmas (plasma corona y plasma de presión atmosférica), caracterizando las modificaciones de la superficie obtenidas mediante diferentes técnicas instrumentales. Los efectos del tratamiento con plasma se han evaluado entonces sobre la incorporación de principios activos farmacéuticos o cosméticos. En el último paso, se ha estudiado la liberación del fármaco mediante ensayos de disolución "in vitro". La primera parte de la Tesis Doctoral se centra en los textiles médicos para aplicación tópica. Para ello, se ha estudiado la modificación de la superficie de tejidos de punto elástico-compresivos de poliamida 66 con plasma corona y plasma de baja presión. En este trabajo experimental se han estudiado en paralelo tejidos preparados en laboratorio y tejidos industrialmente acabados, con vistas a la posible implementación del proceso propuesto en la cadena de producción industrial textil. Se ha observado que el tratamiento con plasma mejora la cinética de liberación de un fármaco anti-inflamatorio (ketoprofeno) y de un principio activo cosmético lipolítico (cafeína), incorporados en los tejidos de poliamida 66 tratados con plasma. Se ha desarrollado un estudio fundamental comparando tres moléculas diferentes de la misma familia química (cafeína, teobromina y pentoxifilina) con respecto a la incorporación al material textil y a la liberación del principio activo. La segunda parte se centra en los textiles utilizados como implantes para la reparación de tejidos blandos (por ejemplo, hernias abdominales). La superficie de la fibra de una malla de polipropileno approvada para su uso clínico ha sido modificada por el plasma corona y plasma de baja presión. Los tratamientos estudiados tuvieron un efecto importante sobre la carga de un antibiótico (ampicilina) mostrando un importante incremento del porcentaje de impregnación. La cinética de liberación in vitro del antibiótico de la malla de polipropileno a un medio líquido isotonico fue rápida. También se investigó la posibilidad de realizar un recubrimiento de la malla de polipropileno cargada con ampicilina mediante polimerización por plasma.