Study and development of bioadhesive patches for wound treatment by 3d printing
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Universidad de Granada Universita´ Degli Studi di Perugia
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en FarmaciaDate
2024Fecha lectura
2024-07-19Referencia bibliográfica
Carmen Laura Pérez Gutiérrez. Study and development of bioadhesive patches for wound treatment by 3d printing. Granada: Universidad de Granada, 2024. [https://hdl.handle.net/10481/95003]
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Tesis Univ. Granada.Résumé
A wound can be defined as a damage or rupture of a biological tissue with the
consequent loss of protective function. Wound treatment represents a serious health and
socioeconomic problem. The implementation of wound treatments is necessary to
improve patient's quality of life and reduce healthcare costs through innovative ad hoc
formulations, capable of both promoting and accelerating the healing process. A further
challenge is to do it with the utmost respect and safety, minimizing rick to humans and
environment by using eco-friendly raw materials and green production methods. The aim
of this thesis was to develop bio-sustainable corn starch (CS)-based patches for wound
treatment. Studies involve the development and characterization of compositions
(semisolid and solid) suitable to be processed by 3D printing. In particular the attention
was focused on Pressure-Assisted Microsyringe (PAM) and Fused Deposition Modelling
(FDM) techniques. In the first part of the research, starch-based hydrogel compositions,
suitable for PAM 3D printing, were developed and characterized. Starch was combined
to the plasticizing agent glycerol (Gly) and an aqueous suspension of βglucan (βglu)
(soluble and insoluble fraction), obtained from barley, as filler (G4-βglu). Another
hydrogel (NaHy-H2) was prepared, adding sodium hyaluronate (NaHy) to the previous
composition. Then, 3D printing parameters were optimized (nozzle size 0.8 mm, layer
height 0.2 mm, 100% infill density, volumetric flow rate 3.02 mm3/s and printing speed
15 mm/s). As the object must be dried after printing, post-printing drying conditions (T°C
and time) were evaluated and the most suitable fixed at 37°C for 24 h. The obtained
patches (G4-βglu and NaHy-H2) presented low mechanical strength thus, in order to
improve this property, it was decided to perform their printing on an alginate-based (Alg)
support which will be the backing layer of the final formulation. Thus, patches named
Alg_βglu and Alg_NaHy were produced and deeply characterized in terms of mechanical
properties, wettability, swelling ability, morphology. The Alg_NaHy patch showed better
results than the Alg_βglu patch in terms of compactness, tensile strength, elasticity,
bioadhesiveness, ease of handling, and ease of patch application and removal. The
biological activity (safety and wound healing capacity) of the soluble fraction of βglu was
evaluated in vitro on keratinocytes (cell line representative of epidermidis). In the second part of the research, starch based thermoplastic filaments suitable
for FDM 3D printing were optimized. Filaments based on biopolymers are not currently
available on the market due to their limited thermal stability (influencing the extrusion
process by FDM). For this reason, starch is generally combined to synthetic polymers in
order to improve its processability. The aim of this work was to produce eco-friendly
filaments by using starch as polymer combined to additives as clays (MMT, HAL), citric acid (CA), magnesium stearate (MgSt) in order to improve the physicochemical and
biological properties of TPS filaments. The filaments were characterized in terms of:
morphology (SEM), thermal profile (DSC-TGA), chemical interactions (FT-IR)
swellability, processability by FDM. The introduction of the clay MMT, as well as CA
and MgSt, allowed to obtain filaments with suitable processability (F3b and F4
filaments). F4 filament showed good thermal properties during the 3D printing process
and also, less diameter changes at the time of printing than the other filaments, allowing
a stable printing. Thus, by using the selected filaments, prototypes patches were prepared
by FDM (Patches A and B). For this purpose, the optimization of the 3D printing
parameters (nozzle diameter 0.6 mm; printing temperature and build plate temperature
210 and 80°C, respectively; layer height 0.3 mm; top/bottom layer thickness 0.3mm; flow
rate 97%; fan speed 30%; print speed 60 mm/s; and infill density 100%) was carried out.
Patch B presented a more homogeneous appearance than patch A, being potentially useful
as a wound dressing, although future studies in greater depth will be necessary. Una herida puede definirse como un daño o rotura de un tejido biológico con la
consiguiente pérdida de su función protectora. El tratamiento de heridas representa un
grave problema sanitario y socioeconómico. La aplicación de tratamientos para heridas
es necesaria para mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir los costes sanitarios
mediante formulaciones innovadoras ad hoc, capaces tanto de promover como de acelerar
el proceso de cicatrización. Otro reto es hacerlo con el mayor respeto y seguridad posible,
minimizando los riesgos hacia las personas y el medio ambiente, utilizando materias
primas ecológicas y métodos de producción ecológicos. El objetivo de esta tesis era
desarrollar parches biosostenibles a base de almidón de maíz (CS) para el tratamiento de
heridas. Los estudios incluyen el desarrollo y la caracterización de composiciones
(semisólidas y sólidas) adecuadas para ser procesadas mediante impresión 3D. En
particular, la atención se centró en las técnicas de microinyección asistida por presión
(PAM) y de modelado por deposición fundida (FDM). En la primera parte de la
investigación, se desarrollaron y caracterizaron composiciones de hidrogel a base de
almidón, adecuadas para la impresión 3D PAM. El almidón se combinó con el agente
plastificante glicerol (Gly) y una suspensión acuosa de βglucano (βglu) (fracción soluble
e insoluble), obtenido de la cebada, como relleno (G4-βglu). Se preparó otro hidrogel
(NaHy-H2), añadiendo hialuronato sódico (NaHy) a la composición anterior. A
continuación, se optimizaron los parámetros de impresión 3D (tamaño de boquilla 0,8
mm, altura de capa 0,2 mm, densidad de relleno del 100%, caudal volumétrico 3,02 mm3/s
y velocidad de impresión 15 mm/s). Dado que el objeto debe secarse tras la impresión, se
evaluaron las condiciones de secado post-impresión (T°C y tiempo) y se fijó la más
adecuada en 37°C durante 24 h. Los parches obtenidos (G4-βglu y NaHy-H2) presentaron
una baja resistencia mecánica por lo que, para mejorar esta propiedad, se decidió realizar
su impresión sobre un soporte a base de alginato (Alg) que será la capa de soporte de la
formulación final. Así, se produjeron los parches denominados Alg_βglu y Alg_NaHy,
que se caracterizaron en profundidad en términos de propiedades mecánicas,
humectabilidad, capacidad de hinchamiento y morfología. El parche Alg_NaHy mostró mejores resultados que el parche Alg_βglu en cuanto a compacidad, resistencia a la
tracción, elasticidad, bioadhesividad, facilidad de manipulación y facilidad de aplicación
y retirada del parche. La actividad biológica (seguridad y capacidad de cicatrización de
heridas) de la fracción soluble de βglu se evaluó in vitro en queratinocitos (línea celular
representativa de epidermidis).
En la segunda parte de la investigación, se optimizaron los filamentos
termoplásticos a base de almidón adecuados para la impresión 3D FDM. Los filamentos basados en biopolímeros no están disponibles actualmente en el mercado debido a su
limitada estabilidad térmica (que influye en el proceso de extrusión por FDM). Por este
motivo, el almidón se suele combinar con polímeros sintéticos para mejorar su
procesabilidad. El objetivo de este trabajo fue producir filamentos ecológicos utilizando
almidón como polímero combinado con aditivos como arcillas (MMT, HAL), ácido
cítrico (CA), estearato de magnesio (MgSt) con el fin de mejorar las propiedades
fisicoquímicas y biológicas de los filamentos de TPS. Los filamentos se caracterizaron en
términos de: morfología (SEM), perfil térmico (DSC-TGA), interacciones químicas (FTIR)
hinchabilidad, procesabilidad por FDM. La introducción de la arcilla MMT, así como
de CA y MgSt, permitió obtener filamentos con una procesabilidad adecuada (filamentos
F3b y F4). El filamento F4 mostró buenas propiedades térmicas durante el proceso de
impresión 3D y además, menor cambio de diámetro en el momento de impresión que el
resto de filamentos, permitiendo una impresión estable. Así, utilizando los filamentos
seleccionados, se prepararon prototipos de parches por FDM (parches A y B). Para ello,
se llevó a cabo la optimización de los parámetros de impresión 3D (diámetro de la
boquilla 0,6 mm; temperatura de impresión y temperatura de la placa de impresión 210 y
80°C, respectivamente; altura de la capa 0,3 mm; grosor de la capa superior/inferior 0,3
mm; tasa de flujo 97%; velocidad del ventilador 30%; velocidad de impresión 60 mm/s;
y densidad de relleno 100%). El parche B presentó un aspecto más homogéneo que el
parche A, siendo potencialmente útil como apósito para heridas, aunque serán necesarios
futuros estudios en mayor profundidad.