Catechol Poly(disulfide)s: a new platform for adhesives in the medical industry

Abstract

Los catecoles están ampliamente presentes en la naturaleza y participan en mecanismos cruciales en algunos organismos. Las fascinantes propiedades de los catecoles en términos de adhesión, actividad redox y propiedades quelantes han suscitado el reciente interés por los polímeros que contienen catecoles para el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Un área de investigación activa es el diseño de nuevos adhesivos bioinspirados que contengan catecoles. La presencia de la funcionalidad catecol ha permitido conseguir materiales con adhesión sobre múltiples sustratos y, además, ha mejorado la adhesión en condiciones de humedad. Esta adhesión en condiciones húmedas ha abierto la posibilidad de utilizar estos materiales en el campo biomédico como adhesivos para dispositivos médicos y adhesivos/sellantes tisulares. A pesar de los grandes avances en este campo durante las últimas décadas, todavía se necesitan nuevos enfoques para conseguir adhesivos basados en catecoles con propiedades de adhesión/despegue ‘a demanda’ y con potencial de biodegradabilidad. Los polidisulfuros, que se caracterizan por la presencia de enlaces disulfuro (-S-S-), son polímeros con un comportamiento dinámico especialmente interesante debido a su reversibilidad mediante el intercambio tiol-disulfuro y la escisión homolítica con la luz y la temperatura. Dentro de este contexto, en la presente tesis se introduce una nueva familia de polidisulfuros de catecol para combinar las características más interesantes de las funcionalidades de los catecoles y los disulfuros. Durante el trabajo se lleva a cabo la síntesis de un nuevo compuesto que contiene un catecol y dos tioles para su posterior polimerización. A continuación, se optimiza la polimerización con yodo a través de la oxidación de los tioles libres buscando un enfoque modular adecuado con un ajuste del peso molecular de los polidisulfuros de catecol. Buscando la potencial aplicación en el campo biomédico, se evalúa la adhesión sobre diversos sustratos y el uso de estos materiales como adhesivo y sellador tisulares. Además, para estudiar la completa biocompatibilidad de estos materiales, se realizan estudios in vitro e in vivo siguiendo la norma ISO 10993, así como la evaluación de la posible degradación en diferentes medios.

Catechols are widely present in nature taking part on crucial mechanisms in some organisms. The fascinating properties of catechols in terms of adhesion, redox activity and chelating properties have raised the recent interest in catechol containing polymers for the development of new functional materials. An area of active research is the design of new bioinspired catechol containing adhesives. The presence of catechol functionality has allowed to achieve materials with adhesion on multiple substrates and, furthermore, has enhanced the adhesion on wet conditions. This adhesion on wet conditions has opened the possibility of using these materials in the biomedical field as adhesives for medical devices and tissue adhesives/sealants. Despite the great advances in the field during last decades, new approaches to achieve adhesives based on catechols with bonding/debonding on demand properties and biodegradability potential are still required. Poly(disulfide)s, which are characterized by the presence of disulfide bonds (-S-S-), are polymers with special interesting dynamic behavior due to their reversibility through thiol-disulfide exchange and homolytic cleavage with light and temperature. Within this context, in the present thesis a new family of catechol poly(disulfide)s is introduced to combine the most interesting features of catechols and disulfides functionalities. During the work the synthesis of a novel catechol containing compound bearing two thiols readily for polymerization is performed. Then, polymerization with iodine through the oxidation of free thiols is optimized looking for a proper modular approach with fine-tuning of the molecular weight of final catechol poly(disulfide)s. Seeking for the potential application in the biomedical field, the adhesion on diverse substrates and the use of these materials as tissue adhesive and sealant is evaluated. Furthermore, to study the full biocompatibility of these materials, in vitro and in vivo studies following ISO 10993 are carried out, as well as the assessment of the feasible degradation on different media.