Shape memory chitosan-based scaffolds for biomedical applications

Abstract

The searching for materials that display mechanical properties able to satisfy the specifications required by their implantation aroused a great interesting in the context of shape memory materials. Shape memory polymers (SMPs) offer novel materials-based devices to solving scientific challenges due to their demonstrated ability to actively undergo geometric transformations upon exposure to environmental stimuli. The most attractive SMPs are still thermal-induced SMPs due to their wide availability and broad possible applications. However, shape memory triggered by temperature is not the best control method for applications taking place within narrow temperature ranges, which is the case of biomedical applications. In this work we hypothesize that we could develop new devices in which the recovery of the geometry can be induced by hydratation. Non-crosslinked and genipincrosslinked chitosan scaffolds, showing a shape memory effect are presented and characterized in this work. The developed scaffolds can be rapidly expanded from a compressive state to its expanded state, stimulated by hydratation in an aqueous environment, during which the glass transition takes place and the chain segmental mobility permits the recovery of the permanent shape of the device. For the proof of concept, the shape memory effect of chitosan was followed by compressive tests to measure the shape memory parameters: shape fixity and shape recovery. Mechanical properties were also studied by dynamic mechanical analysis (DMA), while the sample was immersed in gradient compositions of water/ethanol mixtures. Moreover we also analyze if the scaffolds could present muntifuncional properties that ally shape memory with drug release. For that, in vitro drug delivery studies were performed. The chitosan scaffolds were also reinforced with bioactive glass nanoparticles in order to produce porous nanocomposites that combine the shape memory properties of chitosan and the apatite deposition ability of the nanoparticles. These scaffolds were characterized by the same compressive test performed with the chitosan scaffolds and by in vitro bioactivity tests. The scaffolds developed in this work show a shape memory behavior induced by hydration with good shape memory properties that can be used as systems for applications in minimally invasive surgery or drug delivery with a good ability to geometrically accommodate to bone defects upon implantation. Moreover, the chitosan scaffolds containing bioactive glass nanoparticles showed, aside the good shape memory properties obtained by the chitosan, a bioactivity character induced by the nanoparticles. Thereby, we consider that these scaffolds have potential as shapememory implants for bone regeneration.

A procura de materiais que desempenhem propriedades mecânicas capazes de satisfazer as especificações exigidas para implantação despertou um grande interesse em materiais com memória de forma. Dispositivos baseados em polímeros com memória de forma (SMPs) oferecem soluções capazes de resolver desafios científicos complexos, devido à habilidade de alterar a sua forma quando estimulados por agentes externos. Dentro dos SMPs, os polímeros mais utilizados são os SMPs que respondem a estímulos térmicos, devido à sua ampla disponibilidade e ao elevado número de aplicações. No entanto, SMP estimulados por temperatura não são o melhor método para aplicações limitadas a uma baixa gama de temperaturas, como é o caso de aplicações biomédicas. Neste trabalho testamos a hipótese de conseguir desenvolver novos dispositivos que sejam capazes de recuperar a sua forma inicial induzidos por hidratação. "Scaffolds" de quitosano não reticulados e reticulados com genipin que mostram efeito de memória de forma são apresentados e caracterizados neste trabalho. Para provar esta característica dos "scaffolds", o efeito de memória de forma do quitosano foi analisado através de testes de compressão para medir os parâmetros de memória de forma: capacidade de fixar a forma temporária e capacidade de recuperar a forma inicial. As propriedades mecânicas foram também avaliadas usando análise dinâmica mecânica (DMA), enquanto as amostras estavam imersas em soluções de água/etanol com diferentes gradientes. Além disso também foi analisado se os "scaffolds" apresentam propriedades multifuncionais que aliam memória de forma com libertação controlada de fármacos. Posteriormente, os "scaffolds" de quitosano foram reforçados com nanopartículas de vidro bioactivo de forma a produzir um nano-compósito, que combine as propriedades de memória de forma do quitosano e a mineralização induzida pelo “biovidro”, para aplicações de Engenharia de Tecidos aplicada ao osso. Os "scaffolds" desenvolvidos mostram um comportamento de memória de forma induzida por hidratação com boas propriedades de memória de forma que podem ser usados como sistema de libertação controlada de fármacos para aplicações em cirurgias não invasivas ou para libertação de fármacos. Além disso, os "scaffolds" de quitosano combinados com as nano-partículas de biovidro mostram boas propriedades de memória de forma, devido ao quitosano, e um carácter bioactivo induzido pelas nano-partículas. Deste modo, estes "scaffolds" têm potencial como um implante para regeneração óssea.