Synthesis, characterization and biomedical applications of biodegradable poly(ester amide)s and related polymers

Abstract

Synthetic biopolymers have attracted considerable attention in the last decades in the biomedical field. Poly(ester amide)s are a family of biodegradable polymers that can be tailored for specific applications due to the presence of cleavable ester locations and amide units, which establish hydrogen bond interactions and result in good thermal and mechanical properties. Thanks to these adaptable properties, they are promising materials for applications in different medical fields and constitute the core of this Thesis. Poly(glycolic acid) has proven to be a successful biodegradable and bioresorbable material, so in the first part, diverse poly(ester amide)s containing the glycolic acid unit are prepared using a solid-state polycondensation. To exploit the potential variability of the resulting properties, the constituting units include a variable ratio of glycolic acid and lactic acid, and the amide part comprises aminohexanoic acid or branched diamine units (with 5 and 6 carbons). As new materials, in situ polymerization kinetics and characterization of monomers and copolymers were extensively studied. In addition, the preparation of a polyamide, NY 6 9, was performed to evaluate the morphological changes and peculiar structure present in even-odd nylons by means of time-resolved SAXS and WAXD experiments in a synchrotron radiation facility and optical microscope. In the next chapter a new amino acid-based poly(ester amide) was designed as a new example of last generation biopolymer. In this case, an alternative approach was aimed to obtain a polymer hybrid based in the L-lactic acid and L-phenylalanine units: the use of a peptide as initiator of an anionic ROP of the L-lactide unit. The different resulting polymers have been characterized by diverse techniques and also are supported by simulation studies. The work in this Thesis is completed by the preparation of diverse biomedical devices as scaffolds and nanoparticles with an electrospinning setup. The mini-emulsion technique was also explored. Poly(ester amide)s that include glycolic acid and odd or even diamines, phenylalanine or Bionolle® were used. As prospective drug delivery systems anti-inflammatory (i.e. ketoprofen), antibacterial (i.e. chlorhexidine, PHMB) or anti-carcinogenic (i.e. indole derivatives) drugs were loaded and their release was evaluated. Also, biocompatibility and bacterial tests were essential assays to determine their behaviour as biomedical applications. Finally, another fundamental aspect that was reviewed is the enzymatic degradation behaviour of the prepared samples.

En las últimas décadas, los biopolímeros sintéticos han atraído gran atención en el campo biomédico. Las poliesteramidas son una familia de polímeros biodegradables que pueden ser modificados en multitud de variables para aplicaciones específicas gracias a la presencia de los enlaces ester, susceptibles a rotura; y a las unidades amida, que establecen uniones de puentes de hidrógeno dando lugar a un aumento en propiedades térmicas y mecánicas. Gracias a la gran variabilidad de las propiedades descritas, las poliesteramidas se presentan como materiales muy prometedores en aplicaciones de diferentes campos de la medicina y constituyen el eje central de estudio en esta Tesis Doctoral. El ácido poliglicólico ha demostrado ser un material biodegradable y biorreabsorbible, por ello, en la primera parte se han preparado diversas poliesteramidas que contienen la unidad de ácido glicólico mediante el método de policondensación en estado sólido. Para explotar el potencial de variabilidad en las propiedades resultantes, las unidades que constituyen al polímero constan de proporciones variables de unidades de ácido glicólico y láctico, y en la sección amida, se incluyen el ácido aminohexanoico o unidades ramificadas de diamina (con 5 o 6 carbonos). Al tratarse de nuevos materiales, su cinética de polimerización in situ y la caracterización de los monómeros y copolímeros se ha estudiado exhaustivamente. Además, se ha sintetizado la poliamida nylon 6 9 para evaluar los cambios morfológicos y los característicos cambios estructurales presentes en los nylons par-impar mediante ensayos a tiempo real SAXS y WAXD en una instalación de radiación sincrotrón y también mediante microscopía óptica. En el capítulo siguiente, se diseña una poliesteramida basada en amino ácidos esenciales, como un ejemplo de biopolímero de última generación. En este caso, se ha planteado un proceso alternativo para obtener un polímero híbrido basado en las unidades de ácido L-láctico y L-fenilalanina que consiste en el uso de un péptido como iniciador de una reacción de apertura de anillo aniónica de la unidad de ácido láctico. Los diferentes copolímeros resultantes se han caracterizado mediante diversas técnicas y también se han respaldado con estudios de simulación. El trabajo de la Tesis Doctoral se ha completado preparando diversos dispositivos biomédicos como pueden ser andamios temporales y nanopartículas mediante un dispositivo de electrospinning. También se ha examinado la técnica de preparación de mini emulsiones. Además, se han usado poliesteramidas que incluyen grupos de ácido glicólico y diaminas pares o impares, fenilalanina o Bionolle®. Se cargan fármacos antiinflamatorios (i.e. ketoprofeno), antibacterianos (i.e. clorhexidina, PHMB) o anticancerígenos (i.e. derivados del indol) y se evalúa su liberación para determinar la posible utilización de estos dispositivos poliméricos como sistemas de liberación controlada. Asimismo, también se han realizado ensayos de biocompatibilidad y tests bacterianos para determinar su comportamiento en aplicaciones biomédicas. Finalmente, otro aspecto fundamental a determinar ha sido el comportamiento frente a degradación enzimática de los diversos materiales.