Study of the monofilar suture based on the segmented copolymer GL-b-(GL-co-TMC-co-CL-)-b-GL thermal behavior, degradability and incorporation of active agents : polymers and biopolymers
Authors:   , Márquez Lobato Yolanda 
Published: September 2023

Biomaterials based on block segmented copolymers constituted by hard and soft segments have attracted much attention for biomedical applications in the last decades, specifically as absorbable monofilament sutures. Polyglycolide has demonstrated to be a good candidate to constitute the hard segment due to its biodegradability and high stiffness, whereas the incorporation of different monomers (e.g. -caprolactone, trimethylene carbonate or glycolide) in a random distribution as soft segment promotes material flexibility and enhances in vitro degradation rates. Resulting material properties can be tailored by the combination of different ratios of hard and soft segments and the specific monomer composition.
In this Thesis the study of a tricomponent segmented copolymer commercially marketed as Monosyn® by B. Braun Surgical as an absorbable monofilament suture is presented. The main goals of the work concern to: a) the complete physical characterization that involves the study of the crystallization kinetics and thermal stability, b) the study of the degradation behavior and the associated microstructural changes, c) the evaluation of the capability to improve the performance of Monosyn® by adding compounds with pharmacological activity and d) the production of nanofibers to be employed as reinforcing agents.
Isothermal and non-isothermal crystallizations were followed by different techniques (e.g. optical microscopy, differential scanning calorimetry and time-resolved SAXS experiments in a synchrotron radiation facility). The composition of the soft segment influenced in the crystallization of the segmented copolymer as could be deduced by comparison with reported data on similar bicomponent systems.
Hydrolytic degradation was carried out at different temperatures and in buffered media of a continuous range of pH. Surface morphology of hydrolyzed sutures showed the formation of longitudinal and circumferential cracks in the outer and inner part of the suture, respectively. These fractures were associated to the existence of interfibrillar and interlamellar amorphous domains as was revealed by SAXS experiments.
To explore the potential applications of Monosyn® as an absorbable monofilament suture with pharmacological activity, different drugs were incorporated. Moreover, the use of an amorphous copolymer coating was also evaluated. The first group of drugs selected were biguanide compounds (i.e. chlorhexidine and polyhexametilen biguanide), which have a well-recognized bactericide activity. Specifically, the effectiveness of using a coating was proved as well as the influence of drug molecular size in the activity. The study of the loading process, release behavior and pharmacological activity was completed considering an antibiotic (chloramphenicol) and a healing agent (captopril).
Finally, nanofibers of the selected copolymer were prepared by means of the electrospinning technique. These nanofibers were also loaded with pharmacological drugs and used as reinforcing agent of biodegradable polymer matrices. In order to obtain appropriate fabrics different fiber compositions and electrospun set up configurations were tested.
En las últimas décadas, los biomateriales basados en copolímeros segmentados, constituidos por segmentos duros y blandos, han atraído el un creciente interés para una amplia gama de s aplicaciones biomédicas, especialmente como suturas monofilares absorbibles. Se ha demostrado que la poliglicolida es una buena candidata para constituir el segmento duro debido a su biodegradabilidad y a su alta rigidez, mientras que la incorporación de distintos monómeros (por ejemplo, -caprolactona, carbonato de trimetileno o glicolida) en una disposición estadística como segmento blando promueven la flexibilidad del material y mejoran la velocidad de degradación in vitro. Las propiedades de los materiales resultantes pueden ajustarse combinando diferentes proporciones de los segmentos duro y blando, y con una composición específica de monómero. En esta Tesis se presenta el estudio del copolímero segmentado tricomponente comercializado por B.Braun Surgical como sutura absorbible monofilar con el nombre de Monosyn®. Los principales objetivos de este trabajo son: a) la caracterización física completa que incluye el estudio de estabilidad térmica y cinéticas de cristalización, b) el estudio de la degradación y los cambios microestructurales asociados, c) la evaluación de la mejora del uso de la sutura añadiendo componentes con actividad farmacológica, y d) la producción de nanofibras para utilizarlas como agentes reforzantes. Las cristalizaciones isotérmicas y no isotérmicas se siguieron mediante distintas técnicas (microscopía óptica, calorimetría diferencial de barrido y experimentos de difracción de rayos X de bajo ángulo). La composición del segmento blando influyó en la cristalización del copolímero segmentado, como era de esperar por la comparación con los datos publicados del sistema bicomponente similar. La degradación hidrolítica fue llevada a cabo a distintas temperaturas con disoluciones tamponadas en un rango continuo de pH. La morfología de la superficie de las suturas hidrolizadas mostró la formación de fracturas longitudinales y circunferenciales en la zona externa e interna de la sutura, respectivamente. Estas fracturas se asociaron a la existencia de dominios amorfos interfibrilares e interlamelares, tal y como se corroboró mediante los experimentos de difracción de rayos X de bajo ángulo. Para explorar las aplicaciones potenciales de Monosyn® como sutura absorbible monofilar con actividad farmacológica, se incorporaron distintos fármacos. Además, se evaluó el uso de un copolímero amorfo como recubrimiento. El primer grupo de fármacos seleccionados corresponden a la familia de las biguanidas (clorhexidina y polihexametilen biguanida), conocidas por su actividad bactericida. En particular se probó la efectividad de utilizar un recubrimiento y la influencia del tamaño molecular del fármaco en su actividad. El estudio del proceso de carga, el perfil de liberación y la actividad farmacológica se completó considerando también un antibiótico (cloranfenicol) y un agente cicatrizante (captopril). Por último, se prepararon nanofibras del copolímero seleccionado mediante la técnica del electrohilado. Estas nanofibras se cargaron con fármaco y se utilizaron como agentes reforzantes de matrices poliméricas biodegradables. Con el propósito de conseguir unos tejidos apropiados, se probaron distintas composiciones de fibras y diferentes configuraciones en el montaje del sistema de electrohilado.