Modified polymers as electroactive biomaterials

Abstract

Development of polymeric biomaterials with tailored properties is essential for expanding biotechnologies and, therefore, proposing novel solutions for diagnostic and treatments in modern medicine. In order to contribute with such expansion, this research suggests different strategies to modify intrinsically conducting polymers (ICPs) and overcome their few limitations. Three main engineering approaches were used to combine ICPs advantages with others from conventional insulating polymers and biopolymers, optimizing their performance as electrochemical biomaterials on tissues engineering, biomimetic platforms, actuators and specially on the biosensing field. The first strategy evaluated in this Thesis was designed to take advantage of the “grafting-through”technique and prepare graft copolymers with ICPs backbones. The incorporation of well-known biocompatible polymers like polyethylene glycol (PEG) and polycaprolactone (PCL) into ICP backbones, increased the cell viability in presence of the synthetized copolymers. Such modifications and the ICPs electroactivity allowed to estimate the copolymers performance as electrochemical sensors of biomolecules. The second approach was planned to prepare free-standing, flexible and electroactive films for the electrochemical detection of bacterial infections. The excellent mechanical properties of isotactic polypropylene (i-PP) plastic, combined with an ICP like poly (3,4-ethylendioxythiophene) (PEDOT), enabled the obtained a novel composite with good dimensional stability to be applied as electrochemical platform for bacterial detection. This composite was able to perceive extracellular nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), generated from the respiration reactions of bacteria, and distinguishing prokaryotic microbes from eukaryotic cells. In addition, with a small adjustment, the generated films exhibited qualities as electroactive bioplatforms for tissue engineering. Finally, the third strategy fashioned an electroactive multi-functional nanomembrane for applications of flexible biomedical implants. A layer-by-layer assembly (LbL) was used to integrate the PEDOT electroactivity to the poly(lactic acid) (PLA) biopolymer. The self-supported nanomembrane of 5 layers, showed benefits as biomimetic platforms for selective ion and ATP transport, as well as actuator/artificial muscles. Overall, the characterization studies of the electroactive and biocompatible composites presented in this Thesis, offer a comprehensive view on how modifications in ICPs optimize its abilities as biomaterials and open a wide range of possible applications in biomedicine.

El desarrollo de biomateriales poliméricos con propiedades específicas, es esencial para la expansión biotecnológica y, por lo tanto, para el diseño de soluciones novedosas en el diagnóstico y tratamientos de enfermedades en la medicina moderna. Con el objetivo de contribuir con dicha expansión, esta investigación propone diferentes estrategias de modificación en polímeros conductores intrínsecos (ICPs por sus siglas en ingles), y superar con ello sus pocas limitaciones. Tres principales enfoques de ingeniería fueron utilizados para combinar las ventajas de ICPs con las de otros polímeros convencionales y biopolímeros, optimizando su rendimiento como biomateriales electroquímicos en ingeniería de tejidos, plataformas biomiméticas, actuadores y, especialmente, en el campo de la biodetección. La primera estrategia evaluada en esta Tesis, fue diseñada para aprovechar la técnica de injerto y preparar copolímeros con una cadena principal de ICP. Empleando esta técnica, la incorporación de polímeros biocompatibles, como el polietilenglicol (PEG) y la policaprolactona (PCL), en la cadena principal de un ICP, aumentó la viabilidad celular en presencia de los copolímeros formados. Dichas modificaciones y la electroactividad de los ICPs, permitieron estimar el rendimiento de los copolímeros como sensores electroquímicos de biomoléculas. El segundo enfoque fue planeado para preparar películas auto soportables, flexibles y electroactivas, que permitieran la detección electroquímica de infecciones bacterianas. Las excelentes propiedades mecánicas del polipropileno isotáctico (i-PP) en combinación con un ICP, como el poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), permitieron obtener un nuevo compuesto electroquímico capaz de percibir el dinucleótido adenina de nicotianamina (NADH por su siglas en ingles), generado extracelularmente durante las reacciones respiratorias de las bacterias, y distinguir los microbios procariotas de las células eucariotas. Además, con un pequeño ajuste, las películas generadas exhibieron cualidades como bioplataformas electroactivas para la ingeniería de tejidos. Finalmente, con la tercera estrategia se diseñó una nanomembrana electroactiva multifuncional, para aplicaciones de implantes biomédicos flexibles. Un ensamble de capa por capa, fue utilizado para integrar la electroactividad del PEDOT con el biopolímero ácido poli láctico (PLA por sus siglas en ingles). La nanomembrana auto soportable de 5 capas, mostró beneficios como plataforma biomimética para el transporte selectivo de iones y adenosín trifosfato; o como músculos artificiales o actuadores. En general, los estudios de caracterización de los compuestos electroactivos y biocompatibles presentados en esta Tesis, ofrecen una visión integral de cómo las modificaciones en los ICPs optimizan sus capacidades como biomateriales, y abren una amplia gama de posibles aplicaciones en biomedicina.