Preparation and characterization of biomaterials based on poly lactic acid pla with the incorporation of nanoparticles for applications in biomedicine

Abstract

In the present Ph.D thesis work, poly (lactic acid) scaffolds with incorporation of nanoparticles were obtained through the electrospinning method for their potential application in bone tissue regeneration therapies. The scaffolds have bioactive capacity due to the incorporation of bioactive glass (n-BG) and antimicrobial due to the addition of metallic nanoparticles such as magnesium oxide (n-MgO), zinc oxide (n-ZnO) and calcium oxide (n -CaO). The scaffolds were prepared with a mixture of nanoparticles PLA n-BG/n-MgO, PLA/ n-BG/n-ZnO and PLA/n-BG/n-CaO in (5/5), (10/5), (5/10) and (10/10) wt.% relation. They were compared with reference scaffolds such as PLA/n-BG, PLA / n-MgO, PLA / n-ZnO and PLA / n-CaO with incorporation of 10 and 20 wt. %of those nanoparticles. Scaffolds with porous and interconnected morphology were obtained for PLA and for all the relationships studied. With the increase in the incorporation of nanoparticles, the presence of defects in the fibers associated with agglomerations of nanoparticles were observed. The incorporation of nanoparticles modified the thermal behavior, observing some variations in the values of Tg, Tc and Xc due to the effect of the nanoparticles interaction in the matrix. The mechanical behavior was analyzed by uniaxial stress tests, Young's modulus, tensile strength and elongation showed variations with the incorporation of the different nanoparticles. These variations are attributed to the size of the fibers, the size of the nanoparticles and their dispersion in the matrix. In general, the wettability of scaffolds with the incorporation of nanoparticles did not show variations compared to pure PLA. However, the PLA/n-ZnO scaffolds showed a more hydrophilic character attributed to the nanoparticles generating free volume in the matrix. On the other hand, the effect of nanoparticles on bioactivity in simulated physiological solution (SFS) was studied, the presence of hydroxyapatite (HA) on the surface of the PLA / scaffolds was confirmed by SEM, FT-IR and XRD analysis. n-VB and PLA/n-CaO. With respect to the PLA/n-VB/n-MgO and PLA / n-VB / n-CaO scaffolds, they showed high mineralization on the surface; on the other hand, the PLA / n-VB / n-ZnO scaffolds presented only small nuclei of (HA). Antimicrobial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli was studied. The scaffolds of PLA / n-ZnO, PLA / n-CaO and PLA / n-MgO showed a reduction of 70, 40 and 30% respectively against the bacterium S. aureus and 20, 9 and 6% the E. Coli after of 6 hours. The scaffolds based on the nanoparticle combinations showed a biocidal behavior, although slightly lower than the reference scaffolds. Finally, the effect of the incorporation of nanoparticles to the scaffolds and their relationships on cell cytotoxicity was analyzed by determining cell viability and, on the other hand, the capacity for osteogenic differentiation by ALP phosphatase activity, using preosteoblast cells derived from bone marrow (ST-2). The results obtained indicate that the scaffolds PLA / n-VB, PLA / n-MgO and PL / n-CaO with 20% nanoparticles and those based on the combinations PLA / n-VB / n-MgO) and PLA / n- VB / n-CaO) do not generate cytotoxicity and provide the necessary conditions for the processes of cell proliferation and differentiation, being suitable materials for application in bone regeneration. Those based on PLA / n-ZnO and the combination PLA / n-VB / n-ZnO) (10/10) showed cytotoxicity and a null capacity for osteogenic differentiation, mainly attributed to the great capacity of n-ZnO to generate reactive species. oxygen (ROS) being toxic at the cellular level, limiting its applicability under physiological conditions.

En la presente tesis doctoral se obtuvieron andamios de poliácido láctico con incorporación de nanopartículas mediante el método de electrohilado para su potencial aplicación en terapias de regeneración de tejido óseo. Los andamios presentan capacidad bioactiva por la incorporación de vidrio bioactivo (n-VB) y antimicrobiana por la adición de nanopartículas metálicas como son el óxido de magnesio (n-MgO), óxido de zinc (n-ZnO) y óxido de calcio (n-CaO). Los andamios preparados con mezcla de nanopartículas fueron PLA/n-VB/n-MgO, PLA/n-VB/n-ZnO y PLA/n-VB/n-CaO en relaciones (5/5), (10/5), (5/10) y (10/10) en peso; y se compararon con andamios de referencias como son el PLA/n-VB, PLA/n-MgO, PLA/n-ZnO y PLA/n-CaO con incorporación de un 10 y 20% en peso de nanopartículas. Se obtuvieron andamios con morfología porosa e interconectada para PLA y para todas las relaciones estudiadas. Con el incremento de la incorporación de nanopartículas se observaron presencia de defectos en las fibras asociados a las aglomeraciones de nanopartículas. La incorporación de nanopartículas modifico el comportamiento térmico, observándose algunas variaciones en los valores de Tg, Tc y Xc debido al efecto de las nanopartículas en la matriz. El comportamiento mecánico se analizó mediante ensayos de tensión uniaxial, el módulo de Young, resistencia a la tracción y la elongación presentaron variaciones con la incorporación de las diferentes nanopartículas. Estas variaciones se atribuyen al tamaño de las fibras, el tamaño de las nanopartículas y su dispersión en la matriz. En general, la humectabilidad de los andamios con incorporación de nanopartículas no presentaron variaciones en comparación al PLA puro. Sin embargo, los andamios de PLA/n-ZnO mostraron un carácter más hidrofilico atribuido a que las nanopartículas generan volumen libre en la matriz. Por otro lado, se estudió el efecto de las nanopartículas en la bioactividad en solución fisiológica simulada (SFS), se confirmó mediante análisis de SEM, FT-IR y DRX la presencia de hidroxiapatita (HA) en la superficie de los andamios de PLA/ n-VB y PLA/ n-CaO. Con respecto a los andamios PLA/n-VB/n-MgO y PLA/n-VB/n-CaO mostraron una alta mineralización en la superficie; por otro lado los andamios de PLA/n-VB/n-ZnO presentaron solo pequeños núcleos de (HA). Se estudió la actividad antimicrobiana contra Sthaphylococus aureus y Escherichia coli. Los andamios de PLA / n-ZnO, PLA/n-CaO y PLA/n-MgO mostraron una reducción de un 70, 40 y 30% respectivamente contra la bacteria S. aureus y 20, 9 y 6% la E. Coli después de 6 horas. Los andamios basados en las combinaciones de nanopartículas mostraron un comportamiento biocida, aunque un poco menor que los andamios de referencia. Finalmente, se analizó el efecto de la incorporación de nanopartículas a los andamios y sus relaciones en la citotoxicidad celular mediante determinación de viabilidad celular y por otro lado, la capacidad de diferenciación osteogénica mediante actividad de ALP fosfatasa, utilizando células preosteoblásticas derivadas de medula ósea (ST-2). Los resultados obtenidos indican que los andamios PLA/ n-VB, PLA/n-MgO y PL/n-CaO con 20% de nanopartículas y los basados en las combinaciones PLA/n-VB/n-MgO) y PLA/n-VB/n-CaO) no generan citotoxicidad y propician las condiciones necesarias para los procesos de proliferación y diferenciación celular siendo materiales adecuados para la aplicación en la regeneración ósea. Los basados en PLA/n-ZnO y la combinación PLA/n-VB/n-ZnO) (10/10) mostraron citotoxicidad y casa nula capacidad de diferenciación osteogénica, principalmente atribuído a la gran capacidad del n-ZnO de generar especies reactivas de oxígeno (ERO) siendo tóxicas a nivel celular limitando su aplicabilidad en condiciones fisiológicas.